JP2006170484A

JP2006170484A - 熱交換器

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Publication number: JP2006170484A
Application number: JP2004360726A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ushio; 健牛尾; Rieko Okada; 梨英子岡田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: US7891415B2; JP4418358B2; US20060124284A1

Abstract

【課題】熱交換効率に優れた熱交換器を提供する。
【解決手段】熱供給媒体Ｍｓが流通する熱供給管群３が、熱回収媒体Ｍｒが流通する熱回収管部４で覆われるようにして構成されている。熱供給管群３は、所定幅で細長く形成されて、中央部から外側に向けて流路断面が小さくなる熱供給管３ａ〜３ｄで構成されている。各熱供給管３ａ〜３ｄ間の間隔Ｓ１〜Ｓ４は、中央部から外側に向けて段階的に狭くなるように設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱供給媒体と熱回収媒体との間で熱交換を行う熱交換器に係り、特に、熱交換率を向上できる熱交換器に関する。

従来から、熱供給媒体の熱を熱回収媒体に供給して熱回収媒体を加熱する熱交換器が種々提案されている。例えば、特許文献１に記載の熱交換器は、熱回収媒体が流通する配管の側面に、表面に酸化触媒が担持された凹凸形状のフィンが設けられた熱交換部を有するものである。この熱交換器では、熱交換部に水素と酸素による混合ガスが供給されることにより、混合ガスと酸化触媒との反応によって熱（熱供給媒体）が発生し、この熱がフィンを介してチューブ状の配管内を通る熱回収媒体に伝達されるようになっている。また、特許文献２に記載の熱交換器は、配管の周囲に複数のプレート状のフィンが間隔をおいて設けられた熱交換部を有するものである。この熱交換器では、燃焼部で燃焼されたガスが各フィン間を流通することによって燃焼ガスの熱が配管内を通る熱回収媒体に伝達されるようになっている。
特開２００３−２１１９４５号公報（段落００３２〜００３５、図１，図２）特開２０００−１９３３２３号公報（段落００１７，００１８、図１）

しかしながら、特許文献１および２に示す従来の熱交換器では、熱供給媒体が流通する流路が、熱回収媒体が流通する流路の外側に位置しているため、供給された熱供給媒体の熱が熱供給媒体の流路の外側に過度に放出されることになる。このため、熱エネルギーの損失が大きくなり、熱変換効率を高めることが困難となる問題があった。

また、従来の熱交換器では、熱供給媒体と熱回収媒体との伝熱条件に差が生じるため、場所によって熱回収媒体の温度がバラツキ易く、結果的に熱変換効率が低下する要因となっていた。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、熱変換効率に優れた熱交換器を提供することを目的とする。

本発明は、熱供給媒体と熱回収媒体との間で熱交換を行う熱交換部を有し、前記熱供給媒体が流通する複数の熱供給媒体流路の周囲が、前記熱回収媒体が流通する熱回収媒体流路で覆われる熱交換器であって、前記熱回収媒体流路の流路断面積は、前記熱供給媒体からの受熱量に応じた大きさに設定されていることを特徴とする。

前記本発明によれば、熱回収媒体流路のどの場所であっても熱回収媒体が熱供給媒体からの受熱量を均一にできるので、熱回収媒体の温度むらを防止できる。

例えば、前記熱供給媒体流路は、その流路断面が所定の幅寸法で細長状に形成されて互いに間隔をおいてその幅方向に平行に配置された複数の熱供給路を有し、前記各熱供給路間の前記熱回収媒体流路の幅が前記熱交換部の中心に対して外側が狭くなるように設定されている。

このような形状の熱供給路をそれぞれ配置すると、熱交換部において中心側の熱回収媒体が熱供給媒体から受け取る熱量より外側の熱回収媒体が熱供給媒体から受け取る熱量が少なくなるため、外側に位置する熱供給路の周囲を通る熱回収媒体の温度が中心側に位置する熱供給路の周囲を通る熱回収媒体の温度よりも低くなって、温度分布にバラツキが生じ、結果的に熱変換効率が低下することになる。そこで、前記のように、外側に位置する熱供給路の周囲の熱回収媒体の流路幅を中心側に位置する熱供給路の周囲の熱回収媒体の流路幅よりも狭めることにより、圧力損失が大きくなって熱回収媒体の流速が低下し、熱回収媒体の温度低下を防止できる。

また本発明は、熱供給媒体と熱回収媒体との間で熱交換を行う熱交換部を有し、前記熱供給媒体が流通する熱供給媒体流路の周囲が、前記熱回収媒体が流通する熱回収媒体流路で覆われる熱交換器であって、前記熱回収媒体流路には、断面が凹凸形状のフィンが設けられていることを特徴とする。

このようにフィンを設けることによっても、前記した熱回収媒体流路の流路断面積を変更する場合と同様に、熱回収媒体の流速を低減できるので、熱供給媒体から熱回収媒体への伝熱を促進できる。したがって、熱回収媒体の温度むらを防止できる。

例えば、前記熱供給媒体流路は、その流路断面が所定の幅寸法で細長状に形成されて互いに間隔をおいてその幅方向に平行に配置された複数の熱供給路を有し、前記熱回収媒体流路の外周に沿った前記フィンの凹凸のピッチが、前記各熱供給路間に位置する前記フィンの凹凸のピッチよりも小さくなるように設定されていることが好ましい。

ところで、熱回収媒体流路の外周縁では、熱交換部の外部に面して熱供給媒体が存在しないため、この外周縁での熱回収媒体の温度が他の領域での熱回収媒体の温度よりも低くなって、温度分布にバラツキが生じることになる。そこで、熱回収媒体流路の周縁部側に位置するフィンの凹凸ピッチを他の部分のフィンの凹凸ピッチよりも狭く設定することにより、その周縁部側の熱回収媒体流路の流路断面積が密になって圧力損失が大きくなるので熱回収媒体の流速がさらに低減されて、周縁部側を流れる熱回収媒体の温度が他の領域の熱回収媒体の温度より低下するのを防止できる。

また、前記熱回収媒体流路の外周に沿った前記フィンは、前記熱回収媒体流路の外周に対向する流路を閉塞している構成にしてもよい。

このように、外周に対向する流路内に熱回収媒体が流通しないようにすることにより、熱回収媒体流路の外周を流れる熱回収媒体の熱が熱交換部の外部に放出されるのを低減することができ、外周を流れる熱回収媒体の温度低下を防止することができる。

本発明によれば、熱回収媒体の温度分布を均一化できるので、熱変換効率を向上させることが可能になる。また、温度分布を均一化することにより局所的な温度上昇を防止して、熱回収媒体の沸騰による熱回収媒体の変質等も防止できる。

図１は第１実施形態の熱交換器を備えた燃焼ヒータを示す断面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は本実施形態の熱交換器を車両用の燃料電池システムに搭載したときの構成図である。
（第１実施形態）
図１および図２に示すように、第１実施形態の熱交換器１は、いずれも金属材料などで形成された熱供給管群３と熱回収管部４とを備えた熱交換部５を有している。さらに、本実施形態では、熱交換部５が金属材料などで形成された筐体２内に収容されている構造となっている。

図２に示すように、前記熱供給管群３は、流路断面が上下方向に所定幅寸法Ｗで細長く形成された複数（本実施形態では７つ）の熱供給管３ａ，３ｂ，３ｂ，３ｃ，３ｃ，３ｄ，３ｄで構成されている。また、各熱供給管３ａ〜３ｄは、幅方向に互いに平行に配置され、いずれも長手方向（図２における上下方向）の両端部が熱回収管部４の内壁４ａの近傍まで延びている。また、熱交換部５の中心を通る熱供給管３ａが図２における上下に最も長く形成され、熱供給管３ａと両隣りの熱供給管３ｂ，３ｂが２番目に長く形成され、熱供給管３ｂの外側に隣り合う熱供給管３ｃ，３ｃが３番目に長く形成され、熱供給管３ｃの外側に隣り合う熱供給管３ｄ，３ｄが最も短く形成されている。

また、前記した熱供給管群３が本実施形態での熱供給媒体流路となっている。さらに、前記した熱供給管３ａ〜３ｄの内側の空間が本実施形態での熱供給路となっており、この熱供給媒体流路（熱供給路）に熱供給媒体Ｍｓが流通するようになっている。

なお、前記熱供給管群３は、図２の実施形態に限定されるものではなく、さらに多くの熱供給管で構成されていてもよく、または各熱供給管３ａ〜３ｄが上下方向に分割された形状であってもよい。

前記熱回収管部４は、略円筒状であり、その内側の空間内において前記熱供給管３ａ〜３ｄが、互いに間隔を有した状態で図示しない支持部材によって支持されている。また、本実施形態の熱回収管部４では、内壁４ａのうちの熱供給管３ｄ，３ｄの外側に対向する内壁４ａ１，４ａ１が熱供給管３ｄ，３ｄと平行になるように平面状に形成されている。なお、熱回収管部４は、図１に示すように、長手方向の両端部において支持部材４ｂ，４ｂを介して筐体２内に支持されている。

図２に示すように、本実施形態の熱交換部５では、熱供給管３ａと熱供給管３ｂとの間隔をＳ１、熱供給管３ｂと熱供給管３ｃとの間隔をＳ２、熱供給管３ｃと熱供給管３ｄとの間隔をＳ３、熱供給管３ｄと熱回収管部４の内壁４ａ１との間隔をＳ４としたときに、間隔Ｓ１〜Ｓ４が、各熱供給管３ａ〜３ｄの並び方向において熱交換部５の中心に対して外側が縮小する（狭くなる）ように設定されている（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３＞Ｓ４）。なお、図２では、間隔Ｓ１〜Ｓ４について熱交換部５の紙面左側半分のみ図示して説明したが、紙面右側半分も同様に設定される。また、本実施形態では、熱回収管部４の内側の空間と各熱供給管３ａ〜３ｄの外側の空間とで囲まれる領域が熱回収媒体流路であり、この熱回収媒体流路に熱回収媒体Ｍｒが流通するようになっている。

前記筐体２は、円筒状に形成されており、この筐体２と熱回収管部４との間に空気層６が形成されている。空気層６を設けることにより断熱効果が高められて、熱交換部５の外部に放出される熱を低減できるようになっている。なお、筐体２と熱回収管部４との間は、空気層６に限定されるものではなく、断熱性を有する素材を充填してもよい。また、熱交換部５を筐体２内に収容せずに熱交換部５のみの構成であってもよい。

図１に示すように、前記熱回収管部４には、前記熱供給管群３の下流側（図示右側）に位置する下部に、前記熱回収媒体Ｍｒが供給される導入口７が設けられ、また熱供給管群３の上流側（図示左側）に位置する上部に、前記熱回収媒体Ｍｒが排出される排出口８が設けられている。また、熱回収管部４によって形成される熱回収媒体流路は、各熱供給管３ａ〜３ｄの断面長手方向（図２における上下方向）に沿って形成されているので、熱回収媒体Ｍｒが熱回収管部４の下部の導入口７から供給されたときに、熱回収媒体Ｍｒが互いに隣り合う各熱供給管３ａ〜３ｄ間に確実に供給される。

よって、本実施形態では、熱供給媒体Ｍｓが筐体２の図１の左端部から供給されて、各熱供給管３ａ〜３ｄ（図２参照）の内側を通って筐体２の図１の右端部から排出される。一方、熱回収媒体Ｍｒは、導入口７から供給されて、各熱供給管３ａ〜３ｄ（図２参照）の外側を通って排出口８から排出される。

本実施形態の熱交換器１は、熱媒体生成装置１１と一体に設けられて、後記する燃料電池システムＦ１(図３参照)の燃焼ヒータ１０として使用することができる。この熱媒体生成装置１１は、熱供給媒体Ｍｓを生成して熱供給管群３（熱供給管３ａ〜３ｄ）に供給する装置であり、円筒状に形成されたケース１２と、このケース１２内に収容される触媒燃焼部１３とで構成されている。前記触媒燃焼部１３は、微細な気体流通路を多数有した円柱形状の所定のベース材に白金やパラジウムなどの酸化触媒を担持させて形成したものであり、前記熱供給管３ａ〜３ｄの入口側と対向するように支持部材１４によって支持されている。

また、前記熱媒体生成装置１１の入口側（上流側）には、触媒燃焼部１３に熱供給媒体Ｍｓの原料となる燃料と酸化剤との混合気を供給する給気管１５が接続され、また、前記熱交換器１における熱供給媒体Ｍｓの出口側には、熱供給媒体Ｍｓを排出するための排気管１６が接続されている。

第１実施形態の熱交換器１では、図２に示すように、各熱供給管３ａ〜３ｄによって形成される熱回収媒体流路の間隔Ｓ１〜Ｓ４が熱交換部５の中心側から外側に向けて段階的に狭くなるように、すなわち流路断面積が狭くなるように設定されているので、熱供給管３ａ〜３ｄによって形成される熱供給媒体流路の流路断面積が中心側から外側に向けて小さくなるように形成されて、熱回収媒体Ｍｒが、受熱可能な熱量（受熱量）が縮小するように形成されている場合であっても、外側に位置する熱供給管３ｄ，３ｄの周囲を通る熱回収媒体Ｍｒの温度が、中心側に位置する熱供給管３ａの周囲を通る熱回収媒体Ｍｒの温度より低下するのを防止できる。よって、熱回収管部４内の熱回収媒体流路を通る熱回収媒体Ｍｒの温度分布を均一化できる。つまり、熱供給管３ａ〜３ｄの流路断面積が中心側から外側に向けて小さくなっているので、各熱供給管３ａ〜３ｄの周囲の熱回収媒体流路の間隔をすべて一定に設定すると、外側に位置する熱供給管３ｄ，３ｄの周囲を通る熱回収媒体Ｍｒの温度が中心側に位置する熱供給管３ａの周囲を通る熱回収媒体Ｍｒの温度よりも低下して熱回収媒体Ｍｒの温度分布にバラツキを生じることになるが、前記のように、熱供給管３ａ〜３ｄの周囲の熱回収媒体流路の幅を中心側から外側に向けて段階的に狭くなるように設定することにより、圧力損失が大きくなって熱回収媒体Ｍｒの流速が低減されるので、熱供給媒体Ｍｓと熱回収媒体Ｍｒとの熱交換時間が長くなり、外側を流れる熱回収媒体Ｍｒの温度低下による温度むらを防止できる。なお、隣り合う熱回収媒体流路の間隔は、中心に対して外側が狭く設定されるものであれば、必ずしも中心側から外側に向けて段階的に狭くなるように設定しなくてもよい。

また、前記熱交換器１では、熱供給媒体Ｍｓと熱回収媒体Ｍｒとが、互いに逆向きで並行する方向に流通されるので、熱供給媒体Ｍｓと熱回収媒体Ｍｒとが互いに直交する方向に流れる場合と比較して温度分布の均一化が容易になる。

さらに、前記のようにして熱回収媒体Ｍｒの温度分布を均一化できるので、熱変換効率を高めることが可能になる。熱変換効率を高めて熱供給媒体Ｍｓから熱を効率的に回収できるようにすることにより、熱回収媒体Ｍｒの温度が局所的に高くなるのを防止できる。よって、熱回収媒体Ｍｒの変質や劣化を防止することが可能になる。

次に、本実施形態の熱交換器１の動作について、図３に示す車両用の燃料電池システムＦ１に搭載した場合を例に挙げて説明する。なお、この場合の熱交換器１は、燃料電池システムＦ１の燃焼ヒータ１０内に組み込まれて使用される。この燃焼ヒータ１０は、後記する燃料電池ＦＣの冷却系４０内を流れる冷却液（熱回収媒体Ｍｒ）を加熱して、燃料電池ＦＣを暖機する際に利用される。

まず、最初に、燃料電池システムＦ１の全体構成について図３を参照して説明する。
この燃料電池システムＦ１は、燃料電池ＦＣ、水素供給系２０、空気供給系３０、冷却系４０、暖機系５０、希釈系７０および制御装置８０を含んで構成されている。

燃料電池ＦＣは、アノード極（水素極）Ｐ１とカソード極（酸素極）Ｐ２とを有するＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型の燃料電池であり、アノード極Ｐ１に燃料ガスである水素が供給され、カソード極Ｐ２に酸化剤ガスである空気が供給されることにより発電するようになっている。

水素供給系２０は、アノード極Ｐ１の上流側に、高圧水素タンク２１と、遮断弁２２と、レギュレータ（減圧手段）２３とが設けられている。また、アノード極Ｐ１の下流側には、逆止弁２４と、燃料ポンプ２５とが設けられている。水素供給系２０の各機器は、燃料配管２９ａ〜２９ｆにより接続されている。高圧水素タンク２１からの水素は、遮断弁２２およびレギュレータ２３を介して、アノード極Ｐ１に供給される。また、アノード極Ｐ１から排出されたアノードオフガスは、逆止弁２４を介して燃料ポンプ２５に流入し、燃料ポンプ２５に圧送されてアノード極Ｐ１に再び導入（再循環）される。

空気供給系３０は、カソード極Ｐ２の上流側に、エアポンプ３１が設けられ、カソード極Ｐ２の下流側に背圧弁３２が設けられている。エアポンプ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、制御装置８０からの信号によりモータの回転速度が制御される。空気供給系３０の各機器は、エア配管３９ａ，３９ｂにより接続されている。背圧弁３２は、制御装置８０からの信号により作動する。なお、燃料電池ＦＣに供給される空気は、図示しない加湿器により加湿される。

冷却系４０は、ラジエタ４１の他、サーモスタット弁４２、水ポンプ４３、三方電磁弁４４を備えている。冷却系４０の各機器は、冷却液配管４９ａ〜４９ｆにより接続され、冷却液配管４９ａには燃料電池ＦＣの出口側冷却液温度を燃料電池ＦＣの温度として検出する温度センサ４５が設置されている。サーモスタット弁４２は、燃料電池ＦＣの暖機を促進すべく、始動後の冷機時にラジエタ４１を経由させずに冷却液を循環させる。また、三方電磁弁４４は、制御装置８０からの信号により作動し、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ１０を経由せずに直接に燃料電池ＦＣに供給する通常運転位置と、前記燃焼ヒータ１０に供給する暖機運転位置とに切り換えられる。

暖機系５０は、本実施形態の熱交換器１が組み込まれた燃焼ヒータ１０を備え、この燃焼ヒータ１０でアノードオフガスや水素（燃料ガス）を燃焼させ、その熱エネルギーで燃料電池ＦＣを暖機する役割を担っている。暖機系５０は、燃焼ヒータ１０の他、この燃焼ヒータ１０に導入されるアノードオフガスや水素とカソードオフガスとを混合する混合器５２とを備えている。

また、暖機系５０は、アノードオフガスを混合器５２に導く第１燃料ガスライン６７と、水素を混合器５２に導く第３燃料ガスライン６８と、カソードオフガスを混合器５２に導く第１カソードオフガスライン６４と、燃料電池ＦＣの冷却液を燃焼ヒータ１０に導く暖機冷却液ライン６９とを有している。

第１燃料ガスライン６７は、アノード極Ｐ１の下流側の燃料配管２９ｄと混合器５２とを連絡する燃料配管６７ａ〜６７ｃと、これら燃料配管６７ａ〜６７ｃにより接続された気水分離器５３と、第１ガス流量制御弁５４とから構成されている。第１ガス流量制御弁５４は、制御装置８０からの信号により作動する。気水分離器５３は、燃料配管６７ａから流入したアノードオフガス中の水分を図示しないプレートにより分離し、混合器５２側の燃料配管６７ｂに水分が除かれたアノードオフガスを流入させ、希釈装置７１側の後記の燃料配管７９ａに水分を含んだアノードオフガスを流入させる。燃料配管６７ｃには、混合器５２への燃料ガス供給量を検出する流量センサ５５が設置されている。

第３燃料ガスライン６８は、水素供給系２０の燃料配管２９ｃと第１燃料ガスライン６７の燃料配管６７ｃとを連絡する燃料配管６８ａ，６８ｂと、これら燃料配管６８ａ，６８ｂの間に介装された第３ガス流量制御弁５６とから構成されている。第３ガス流量制御弁５６は、制御装置８０からの信号により制御される。

第１カソードオフガスライン６４は、空気供給系３０における背圧弁３２の出口側と混合器５２とを連絡するエア配管６４ａ，６４ｂと、これらエア配管６４ａ，６４ｂの間に介装された気水分離器５７とから構成されている。気水分離器５７は、前記気水分離器５３と同様のプレート式であり、カソード極Ｐ２側のエア配管６４ａから流入したカソードオフガス中の水分をプレートにより分離し、混合器５２側のエア配管６４ｂに水分が除かれたカソードオフガスを流入させ、希釈装置７１側の後記するエア配管７８ａに水分を含んだカソードオフガスを流入させる。

暖機冷却液ライン６９は、前記した三方電磁弁４４から供給された冷却液を燃焼ヒータ１０に供給する冷却液配管６９ａと、燃焼ヒータ１０で加熱された冷却液を燃料電池ＦＣに供給する冷却液配管６９ｂとから構成されている。

希釈系７０は、燃焼ヒータ１０に接続された希釈装置７１を備えており、アノードオフガスと燃焼ヒータ１０の排気ガスとをこの希釈装置７１内で酸素含有ガスにより希釈して大気中に放出する役割を担っている。希釈装置７１は、多孔板７１ａにより仕切られた貯留室７１ｂと拡散室７１ｃとを有している。そして、貯留室７１ｂに流入したアノードオフガスは、多孔板７１ａを介して徐々に拡散室７１ｃに流入し、拡散室７１ｃで酸素含有ガスと混合することにより希釈された後に大気中に排出される。

また、希釈系７０は、アノードオフガスを希釈装置７１に導く第２燃料ガスライン７９と、カソードオフガスを希釈装置７１に導く第２カソードオフガスライン７８とを有している。

第２燃料ガスライン７９は、気水分離器５３と希釈装置７１の貯留室７１ｂとを連絡する燃料配管７９ａ，７９ｂと、これら燃料配管７９ａ，７９ｂの間に介装された第２ガス流量制御弁７２とから構成されている。第２ガス流量制御弁７２は、制御装置８０からの信号により作動する。

第２カソードオフガスライン７８は、気水分離器５７と希釈装置７１とを連絡するエア配管７８ａ，７８ｂと、これらエア配管７８ａ，７８ｂの間に介装されたオリフィス７３とから構成されている。

次に、燃料電池システムＦ１が搭載された車両の暖機制御について説明する。
運手者により車両のイグニッションスイッチ（図示せず）がＯＮ状態にされると、制御装置８０は、暖機制御を開始する。制御装置８０は、水ポンプ４３からの冷却液を燃焼ヒータ１０に供給する暖機運転位置に三方電磁弁４４を切り替える。そして、第３ガス流量制御弁５６を開弁方向へ所定量駆動させ、第１ガス流量制御弁５４と第２ガス流量制御弁７２とをそれぞれ閉鎖して、混合器５２に、第３燃料ガスライン６８および燃料配管６７ｃを介して高圧水素タンク２１の水素を導入する。このときの水素導入量は、流量センサ５５によって監視される。一方、カソード極Ｐ２から排出されたカソードオフガスは、そのほぼ全量が第１カソードオフガスライン６４を介して混合器５２に導入される。

水素とカソードオフガス（酸素）とは、混合器５２内で混合された後に燃焼ヒータ１０に導入され、図１に示すように、燃焼ヒータ１０内の触媒燃焼部１３で、水素とカソードオフガス中の酸素とが触媒燃焼して、熱エネルギーを有する熱供給媒体（燃焼ガス）Ｍｓが生成される。生成された熱供給媒体Ｍｓは、熱交換器１へ送られる。熱交換器１では、熱供給媒体Ｍｓが熱供給管群３の各熱供給管３ａ〜３ｄの内側の熱供給媒体流路を排気管１６側に向けて流れるとともに、熱回収媒体（冷却液）Ｍｒが、冷却液配管６９ａを通って導入口７から供給され、熱回収管部４と各熱供給管３ａ〜３ｄとの間の熱回収媒体流路を熱供給媒体Ｍｓとは互いに逆向きに並行に流れて、排出口８から排出される。燃焼ヒータ１０では、熱供給媒体Ｍｓの熱が熱供給管３ａ〜３ｄを介して熱回収媒体Ｍｒに与えられて、熱回収媒体Ｍｒが加熱される。加熱された熱回収媒体Ｍｒは、冷却液配管６９ｂおよび冷却液配管４９ｅを介して燃料電池ＦＣに供給される。このとき、燃料電池ＦＣの温度を温度センサ４５で監視して、燃料電池ＦＣが発電可能となる温度に至るまで燃焼ヒータ１０に水素とカソードオフガス（酸素）とを供給して暖機を続行する。暖機終了後は、三方電磁弁４４を通常運転位置に駆動して、水ポンプ４３からの熱回収媒体Ｍｒ（冷却液）が燃焼ヒータ１０を経由せずに直接に燃料電池ＦＣに供給されるように制御する。

なお、前記した暖機制御は一例であり、暖機時の燃料電池ＦＣの温度に基づいて適宜変更することができる。例えば、高圧水素タンク２１から水素を直接に混合器５２に供給するのではなく、前記燃料電池システムＦ１の起動時（イグニッションスイッチをＯＮしたとき）にアノード極Ｐ１や燃料配管２９ｃ〜２９ｆに残留している水や不純物を排出する処理（パージ処理）を利用して、燃料電池ＦＣから排出されるアノードオフガスを燃料として燃料電池システムＦ１を暖機するようにしてもよい。

このように、パージ処理のアノードオフガスを利用して暖機する場合には、制御装置８０の制御により三方電磁弁４４を暖機運転位置に駆動する。そして、第３ガス流量制御弁５６を閉じ、第１ガス流量制御弁５４を開き、第２ガス流量制御弁７２を閉じて、混合器５２に、アノード極Ｐ１からパージされたアノードオフガスの全量と、カソード極Ｐ２から排出されたカソードオフガスの略全量とを流入して、燃焼ヒータ１０内でアノードオフガスとカソードオフガスとを触媒燃焼させて熱供給媒体Ｍｓ（熱エネルギー）を生成する。このように、従来は排出されていたアノードオフガスを燃料電池ＦＣの暖機に利用できるので、燃料の消費量を低減できる。なお、アノードオフガスに含まれる水分は、気水分離器５３内で分離され、カソードオフガスに含まれる水分は、気水分離器５７内で分離されるため、燃焼ヒータ１０には水分を含まないアノードオフガスとカソードオフガスとが供給され、これにより安定した燃焼が可能になる。

また、本実施形態の熱交換器１を燃焼ヒータ１０に設けることにより、熱変換率を高めることができるので、車両用の燃料電池システムＦ１において暖機時に燃料（水素）の消費量を減らすことが可能になる。また、装置の小型化および軽量化も可能になる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態の熱交換器を図１のＡ−Ａ線に相当する位置で切断したときの断面図である。
この熱交換器１Ａは、複数（本実施形態では７つ）の熱供給管６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄで構成された熱供給管群６０を有している。この熱供給管群６０の基本的な構成は、前記熱供給管群３と同じであり、各熱供給管６０ａ〜６０ｄの幅寸法がすべて同じＷ１に設定されている。ただし、熱供給管６０ａと熱供給管６０ｂとの間隔、熱供給管６０ｂと熱供給管６０ｃとの間隔、熱供給管６０ｃと熱供給管６０ｄとの間隔、熱供給管６０ｄと熱回収管部４の内壁４ａ１との間隔が、いずれも同じ寸法Ｓに設定されている。

前記熱交換器１Ａでは、熱回収管部４内において、各熱供給管６０ａ〜６０ｄ間に形成される熱回収媒体流路の一部である内流路６１ａ，６１ａ，６１ｂ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｃと、外周に沿って形成される縁流路４ｓにそれぞれフィン６３が設けられている。このフィン６３は、例えば、金属板を流路断面波型（凹凸形状）に形成したものである。なお、フィン６３の設置領域は、このフィン６３によって熱回収媒体Ｍｒの流れが遮断されないように、導入口７（図１参照）よりも熱回収媒体Ｍｒの下流側、排出口８（図１参照）よりも熱回収媒体Ｍｒの上流側の図１で示す範囲Ｑ内に位置するように設定されている。また、この範囲Ｑは、必ずしも図１に示す領域に設定される範囲に限定されるものではなく、範囲Ｑよりも広くまたは狭く設定されていてもよい。

このように第２実施形態の熱交換器１Ａでは、熱供給管群６０を構成する熱供給管６０ａ〜６０ｄの内側に熱供給媒体Ｍｓが、各熱供給管６０ａ〜６０ｄと熱回収管部４との間に熱回収媒体Ｍｒが、互いに逆向きに並行して流れるように供給される。この場合、フィン６３によって熱回収管部４の流路断面積が縮小するので、熱回収媒体Ｍｒの流速（または流量）が低減する。これにより、熱供給媒体Ｍｓから受ける熱回収媒体Ｍｒの受熱量を大きくできるので、熱変換効率を向上できる。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態の熱交換器を図１のＡ−Ａ線に相当する位置で切断したときの断面図である。なお、第３実施形態の熱交換器１Ｂでは、第２実施形態の熱交換器１Ａでの凹凸形状のフィン６３の凹凸ピッチが、内流路６１ａ〜６１ｃに位置するフィン６３Ａと、縁流路４ｓに位置するフィン６３Ｂとの間で異なっている。

すなわち、内流路６１ａ〜６１ｃとなる、熱供給管６０ａと熱供給管６０ｂとの間のうち内流路６１ａ、熱供給管６０ｂと熱供給管６０ｃとの間の内流路６１ｂ、および熱供給管６０ｃと熱供給管６０ｄとの間の内流路６１ｃにそれぞれ設けられるフィン６３Ａの凹凸のピッチＰａが、熱回収管部４内の外周の縁流路４ｓに設けられるフィン６３Ｂの凹凸のピッチＰｂよりも広く設定されている。

このように、熱回収管部４によって形成される熱回収媒体流路の外周に対向する縁流路４ｓに凹凸のピッチＰｂが密なフィン６３Ｂを設けることにより、熱回収媒体Ｍｒの流速（流量）が低減されて、熱回収媒体Ｍｒの受熱量が増加するので、熱回収媒体Ｍｒの温度低下を防止できる。したがって、熱回収媒体Ｍｒ全体の温度分布を均一にできるので、熱変換効率を高めることが可能になる。

（第４実施形態）
図６は第４実施形態の熱交換器を示し、（ａ）はフィン単体を示す斜視図、（ｂ）は熱交換器の一部拡大断面図である。なお、第４実施形態の熱交換器１Ｃは、第２実施形態の熱交換器１Ａにおける一部のフィン６３の形状を変えたものである。

すなわち、熱交換器１Ｃにおけるフィン６３Ｃは、図６（ａ）に示すように、波型（凹凸形状）の板材６３ａの一面側（図６（ａ）における上側）に突出する各山部６３ａ１，６３ａ１，・・・を、その一部において波を横断する方向に沿って押し潰して凹状の閉塞部６３ｂ，６３ｂ，・・・を形成して構成したものである。このように形成されたフィン６３Ｃは、熱回収管部４内の外周の縁流路４ｓ（図６（ｂ）参照）に閉塞部６３ｂの凹面が内側すなわち熱供給管６０ａ〜６０ｄ側を向くようにして配設される。

よって、第４実施形態の熱交換器１Ｃでは、熱回収媒体Ｍｒが熱回収管部４内に流通されたときに、フィン６３Ｃの内側では、図６（ｂ）において○印で示すように、板材６３ａの各谷部６３ａ２に熱回収媒体Ｍｒが流通可能となり、フィン６３Ｃの外側では、図６（ｂ）において×印で示すように、各閉塞部６３ｂによって熱回収媒体Ｍｒの流れが遮断される。したがって、本実施形態では、熱回収管部４の縁流路４ｓにおける流路断面が縮小されるので熱回収媒体Ｍｒの流速（流量）が低減され、縁流路４ｓを通る熱回収媒体Ｍｒの温度が他の領域の流路（第３実施形態での内流路６１ａ〜６１ｃ）を通る熱回収媒体Ｍｒの温度より低下するのを防止でき、熱回収媒体Ｍｒ全体の温度分布を均一化できる。

なお、第２ないし第４実施形態において、凹凸形状のフィン６３，６３Ａ，６３Ｂ，６３Ｃとして波型形状のものを図示して説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、角張った凹凸形状のフィン９０を設けた熱交換器１Ｄであってもよい。または、図８に示すように、山型の突起部が千鳥状に配列されたフィン１００を設けた熱交換器１Ｅであってもよい。また、各熱交換器１Ｄ，１Ｅでは、第３実施形態で示しように、フィン９０，１００の凹凸ピッチを、内流路６１ａ〜６１ｃに位置するフィンよりも縁流路４ｓに位置するフィンを狭く設定するようにしてもよい。また、熱交換器１Ｅでは、第４実施形態で示したように、縁流路４ｓに位置するフィン１００の外側に対向する流路を閉塞するようにしてもよい。

なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、図２に示す第１実施形態の熱交換器１では、熱供給管３ａ〜３ｄ間の熱回収媒体流路の幅を熱交換部５の中心に対して外側が縮小するようにした場合について説明したが、熱供給管３ａ〜３ｄ間の熱回収媒体流路の幅をすべて一定にした状態で、各熱供給管３ａ〜３ｄ内側の幅寸法を熱交換部５の外側から中心側に向けて縮小するように構成してもよい。

また、前記した各実施形態では、熱供給媒体Ｍｓと熱回収媒体Ｍｒとが互いに逆向きで並行する方向に流れる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、熱供給媒体Ｍｓと熱回収媒体Ｍｒとが互いに同じ向きで並行する方向に流れるように構成してもよい。

第１実施形態の熱交換器を備えた燃焼ヒータを示す断面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。本実施形態の熱交換器を車両用の燃料電池システムに搭載したときの構成図である。第２実施形態の熱交換器を図１のＡ−Ａ線に相当する位置で切断したときの断面図である。第３実施形態の熱交換器を図１のＡ−Ａ線に相当する位置で切断したときの断面図である。第４実施形態の熱交換器を示し、（ａ）はフィン単体を示す斜視図、（ｂ）は熱交換器の一部拡大断面図である。フィンの形状の変形例を示す断面図である。フィンの形状の他の変形例を示す断面図である。

符号の説明

１，１Ａ〜１Ｅ熱交換器
２筐体
３，６０熱供給管群（熱供給媒体流路）
３ａ〜３ｄ，６０ａ〜６０ｄ熱供給管（熱供給路）
４熱回収管部（熱回収媒体流路）
５熱交換部
６３Ａ〜６３Ｃ，９０，１００フィン
６３ｂ閉塞部
Ｍｒ熱回収媒体
Ｍｓ熱供給媒体

Claims

熱供給媒体と熱回収媒体との間で熱交換を行う熱交換部を有し、前記熱供給媒体が流通する複数の熱供給媒体流路の周囲が、前記熱回収媒体が流通する熱回収媒体流路で覆われる熱交換器であって、
前記熱回収媒体流路の流路断面積は、前記熱供給媒体からの受熱量に応じた大きさに設定されていることを特徴とする熱交換器。
前記熱供給媒体流路は、その流路断面が所定の幅寸法で細長状に形成されて互いに間隔をおいてその幅方向に平行に配置された複数の熱供給路を有し、前記各熱供給路間の前記熱回収媒体流路の幅が前記熱交換部の中心に対して外側が狭くなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
熱供給媒体と熱回収媒体との間で熱交換を行う熱交換部を有し、前記熱供給媒体が流通する熱供給媒体流路の周囲が、前記熱回収媒体が流通する熱回収媒体流路で覆われる熱交換器であって、
前記熱回収媒体流路には、断面が凹凸形状のフィンが設けられていることを特徴とする熱交換器。
前記熱供給媒体流路は、その流路断面が所定の幅寸法で細長状に形成されて互いに間隔をおいてその幅方向に平行に配置された複数の熱供給路を有し、前記熱回収媒体流路の外周に沿った前記フィンの凹凸のピッチが、前記各熱供給路間に位置する前記フィンの凹凸のピッチよりも小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
前記熱回収媒体流路の外周に沿った前記フィンは、前記熱回収媒体流路の外周に対向する流路を閉塞していることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の熱交換器。