JP2008089257A - Manufacturing method of heat exchanger for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用熱交換器の製造方法に関し、特にチューブ内部へのフラックスの侵入を防止する技術に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a heat exchanger for a fuel cell, and more particularly to a technique for preventing flux from entering a tube.
例えば、駆動源として燃料電池を搭載した燃料電池自動車であるFCEV車(fuel cell electric vehicle)用の燃料電池として、例えば、高分子電解膜型の燃料電池システムが開発されている。このシステムは、燃料電池スタック内の水素燃料を、高分子電解膜に担持したプロトン触媒の作用でプロトン化し、高分子電解膜を隔てて存在する酸素との共働により電位発生を行うように構成されている。 For example, a polymer electrolyte membrane fuel cell system has been developed as a fuel cell for an FCEV vehicle (fuel cell electric vehicle) that is a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell as a drive source. This system is configured so that hydrogen fuel in the fuel cell stack is protonated by the action of a proton catalyst supported on a polymer electrolyte membrane, and potential is generated by cooperation with oxygen existing across the polymer electrolyte membrane. Has been.
このようなシステムでは、電極等の導電性部材が燃料電池スタック内に多く存在するため、感電防止の観点より冷媒の導電性を低レベルにする必要がある。このため、極めて導電性の小さい純水が循環水(冷却水)として使用されているとともに、反応制御の必要性から、この循環水を熱交換器により冷却することが行われている。そして、このようなシステムでは、熱交換器を循環する冷却水が、プロトン触媒に直接接触するため、触媒被毒の観点から、金属等のイオンの冷却水中への混入を抑制することが要望されている。 In such a system, since there are many conductive members such as electrodes in the fuel cell stack, it is necessary to make the conductivity of the refrigerant low to prevent electric shock. For this reason, pure water having extremely low conductivity is used as circulating water (cooling water), and cooling of the circulating water with a heat exchanger is performed because of the necessity for reaction control. In such a system, since the cooling water circulating through the heat exchanger is in direct contact with the proton catalyst, it is desired to suppress the mixing of ions such as metals into the cooling water from the viewpoint of catalyst poisoning. ing.
ここで、ラジエータやエバポレータ等の熱交換器のコアは、波形状に成形されたアルミニウム材からなる複数個のコルゲートフィンと、扁平状に成形されたアルミニウム材(クラッド材)からなる複数個のチューブと、を交互に積層配列して構成される。そして、かかる熱交換器のコアは、その後、コア表面に液体フラックスが塗布され、ろう付けされた後、チューブ内部に入り込んだフラックス残渣を取り除く洗浄が行われることで製造される。 Here, the core of a heat exchanger such as a radiator or an evaporator is composed of a plurality of corrugated fins made of aluminum material formed into a wave shape and a plurality of tubes made of aluminum material (clad material) formed into a flat shape. And are alternately stacked. Then, the core of the heat exchanger is manufactured by applying a liquid flux to the surface of the core, brazing, and then cleaning to remove the flux residue that has entered the inside of the tube.
ところで、フラックスは、通常、ろう付け処理後の洗浄処理時において洗い流されるが、フラックスとしてノコロックフラックスを使用した場合、ろう付け後に残渣が残り易い。また、残渣は、水中に溶け込みイオンを生じるため、導電率の低い水溶液や純水を使用する燃料電池用熱交換器では、特に高分子電解質膜への悪影響を考慮してフラックスを十分に注意深く取り除く必要がある。 By the way, the flux is usually washed away at the time of the cleaning process after the brazing process, but when a nocolok flux is used as the flux, a residue is likely to remain after the brazing. In addition, since the residue dissolves in water and generates ions, in heat exchangers for fuel cells that use low-conductivity aqueous solutions or pure water, the flux should be removed carefully, especially considering adverse effects on polymer electrolyte membranes. There is a need.
そこで、従来においては、チューブの内部に可能な限りフラックスが付着しないようにコア外面のみにノコロックフラックス水溶液を流しかける、或いは、シャワーするようにしている。しかしながら、フラックスに水溶液を使用した場合には、コア外表面のみにフラックスをかけたとしてもチューブ内部へのフラックスの侵入を効果的に抑制することはできない。 Therefore, conventionally, an aqueous nocollock flux solution is poured or showered only on the outer surface of the core so that the flux does not adhere as much as possible inside the tube. However, when an aqueous solution is used for the flux, even if the flux is applied only to the outer surface of the core, the penetration of the flux into the tube cannot be effectively suppressed.
例えば、図11の矢印で示すように、ノズル100から噴射されるフラックス101がチューブ102の端部を座板103に形成したチューブ挿入孔104に挿入させる部分からチューブ内部に侵入すると共に、フラックス101がコア表面から座板103の表面に回り込んでチューブ内部に侵入する。
For example, as indicated by an arrow in FIG. 11, the
チューブ内部に侵入したフラックスを取り除く手法としては、例えば、ろう付け後に100℃に加熱した純水中にコアを24時間浸漬して洗浄する方法、または、強アルカリ性のアルミニウム用脱脂剤による洗浄方法が採用されている(例えば、特許文献1など参照)。
しかしながら、これでも細部に入り込んだフラックスを取り除くことはできず、また残渣フラックスの洗浄時間が非常に掛かる(24時間以上掛かる)ので、残渣フラックス処理が熱交換器製造上においてネックとなっている。 However, even in this case, the flux that has entered the details cannot be removed, and the cleaning time of the residual flux is very long (it takes 24 hours or more), so that the residual flux treatment is a bottleneck in manufacturing the heat exchanger.
そこで、本発明は、上記した従来の課題に鑑みてなされたものであり、特にチューブ内部へのフラックスの侵入を抑制し、残渣フラックス量を低減して残渣フラックス除去工程の短時間化を図ることのできる燃料電池用熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and in particular, suppresses the flux intrusion into the tube, reduces the amount of residual flux, and shortens the residual flux removal process. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a heat exchanger for a fuel cell that can be used.
本発明の燃料電池用熱交換器の製造方法は、チューブとコルゲートフィンとが交互に積層される積層部に座板を組み付けてコア部を組み立てる組み付け工程と、前記チューブの内部にフラックスが侵入しないように前記座板の端面をマスキングする座板面マスキング工程と、前記座板面マスキング工程後、前記コア部に粉体のフラックスをふりかける粉体フラックス撒布工程と、前記粉体フラックス撒布工程後、前記コア部を加熱処理してろう付けするろう付け工程とを備えたことを特徴とする。 The method of manufacturing a heat exchanger for a fuel cell according to the present invention includes an assembling step of assembling a core portion by assembling a seat plate to a laminated portion in which tubes and corrugated fins are alternately laminated, and flux does not enter the inside of the tube. After the seat plate surface masking step for masking the end surface of the seat plate, after the seat plate surface masking step, after the powder flux distribution step of sprinkling powder flux on the core portion, after the powder flux distribution step, And a brazing step of brazing the core portion by heat treatment.
座板面マスキング工程としては、チューブ端部が突出する座板面に布やテープ或いはカバーなどをかけてチューブ端部を覆うことで、チューブ内部へのフラックスの侵入を防止するようにする。 In the seat plate surface masking step, the tube end portion is covered with a cloth, tape, or cover on the seat plate surface from which the tube end portion projects, thereby preventing flux from entering the inside of the tube.
本発明の燃料電池用熱交換器の製造方法によれば、フラックスをふりかける前に、チューブの内部にフラックスが侵入しないように座板の端面をマスキングしておくため、フラックス撒布時にチューブ内部にフラックスが侵入するのを防止できる。このとき、フラックスとして水溶液ではなく粉体のものを使用することで、より一層チューブ内部へのフラックスの侵入を防止することができる。 According to the method for manufacturing a heat exchanger for a fuel cell of the present invention, before the flux is applied, the end face of the seat plate is masked so that the flux does not enter the inside of the tube. Can be prevented from entering. At this time, by using a powder instead of an aqueous solution as the flux, it is possible to further prevent the flux from entering the tube.
したがって、本発明方法によれば、機械的除去が困難なチューブ内部に付着する残渣フラックス量が無くなる或いは極めて僅かになることから、その後に行う残渣フラックス除去工程である洗浄時間を大幅に短縮することができる。 Therefore, according to the method of the present invention, the amount of residual flux adhering to the inside of the tube, which is difficult to remove mechanically, is eliminated or extremely small, so that the cleaning time for the subsequent residual flux removal step can be greatly shortened. Can do.
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
先ず、本実施の形態の燃料電池用熱交換器の製造方法について説明する前に、本発明の熱交換器が使用されるFCEV冷却系システムについて簡単に説明する。 First, before explaining the manufacturing method of the heat exchanger for a fuel cell according to the present embodiment, the FCEV cooling system using the heat exchanger of the present invention will be briefly explained.
「FCEV冷却系システムの概略構成」
図1は、燃料電池を搭載した電気自動車の冷却系システム図である。燃料電池を駆動源とするいわゆる燃料電池自動車は、当該燃料電池を約80〔℃〕に加温保持することで水素と酸素による反応が行われて電気を最も効率よく生成するため、加温し過ぎないように冷媒を循環させて燃料電池を冷却している。
"Schematic configuration of FCEV cooling system"
FIG. 1 is a cooling system diagram of an electric vehicle equipped with a fuel cell. A so-called fuel cell vehicle using a fuel cell as a driving source generates the electricity most efficiently by maintaining the temperature of the fuel cell at about 80 ° C. to generate electricity most efficiently. The fuel cell is cooled by circulating a refrigerant so that it does not pass.
この冷却系システム1では、加温された燃料電池を冷却する冷媒は、燃料電池本体2に形成された流路を流れると、ポンプ3によって熱交換器4へ送られ、発電により暖められた冷媒が熱交換器4によって冷却される。そして、冷却された冷媒は、再び燃料電池本体2へと送られ、加温された燃料電池を所定温度に保つように冷却する。このような経路を循環する冷媒には、例えば導電性の低い純水または純水に凍結防止剤であるエチレングリコールを混合したものが使用される。これは、燃料電池本体2の内部には導電性材料からなる電極などが設けられているため、その内部を循環する冷媒が導電性を持っていると、水素と酸素の反応に悪影響を与えるためである。
In this cooling system 1, when the refrigerant that cools the heated fuel cell flows through the flow path formed in the fuel cell
「燃料電池用熱交換器の概略構成」
次に、本発明の製造方法により製造される燃料電池用熱交換器の構成について簡単に説明する。
"Schematic configuration of heat exchanger for fuel cell"
Next, the configuration of the fuel cell heat exchanger manufactured by the manufacturing method of the present invention will be briefly described.
図2は本実施の形態で製造される燃料電池用熱交換器の一例を示す図である。燃料電池用熱交換器(以下、単に熱交換器という)4は、アルミニウムからなるチューブ11とコルゲートフィン12とが交互に積層され、コア部19の両端に一対のヘッダタンク部(タンク部)13、14が配置されるとともに、これらヘッダタンク部13、14に入口パイプ15、出口パイプ16が連通して設けられている。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a heat exchanger for a fuel cell manufactured in the present embodiment. A fuel cell heat exchanger (hereinafter simply referred to as a heat exchanger) 4 includes
このヘッダタンク部13、14は、それぞれ座板17と、この座板17に取り付けられるタンクカバー18とから構成され、内部にタンク室(図示省略する)が形成されている。また、座板17には、各チューブ11の端部に応じた嵌合孔が穿設されており、各チューブ11の端部が嵌合孔に挿入され、前記タンク室内に突出した状態で結合されている。
Each of the
このように構成された熱交換器4では、入口パイプ15から流入する循環水(本実施の形態では純水)を入口側のヘッダタンク部13において各チューブ11へと分配配給し、下方に位置する出口側のヘッダタンク14へと流通させる。純水は、チューブ11を流通する過程において、コルゲートフィン12によって冷やされたチューブ11を介して冷却されるようになっている。
In the heat exchanger 4 configured as described above, circulating water (pure water in the present embodiment) flowing from the inlet pipe 15 is distributed and distributed to each
「燃料電池用熱交換器の製造方法」
次に、前記した熱交換器4の製造方法について説明する。図3は熱交換器の製造プロセスを示す工程図、図4は熱交換器の製造プロセスを示し、コア部を組み立てる組み付け工程を示す図、図5は熱交換器の製造プロセスを示し、座板面マスキング工程を示す図、図6は図5の要部拡大断面図、図7は熱交換器の製造プロセスを示し、粉体フラックス撒布工程を示す図、図8はフラックスをシャワーして塗布したときと粉体で撒布したときのイオン溶出量を示す特性図、図9はフラックスをシャワーして塗布したときと粉体で撒布したときの洗浄時間を示す特性図、図10は熱交換器の製造プロセスを示し、座板面マスキング工程におけるカバー装着状態を示す図である。
"Production method of heat exchanger for fuel cell"
Next, a method for manufacturing the heat exchanger 4 will be described. FIG. 3 is a process diagram showing a heat exchanger manufacturing process, FIG. 4 is a heat exchanger manufacturing process, showing an assembly process for assembling a core, and FIG. 5 is a heat exchanger manufacturing process. FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of the main part of FIG. 5, FIG. 7 is a view showing a heat exchanger manufacturing process, a powder flux distribution step, and FIG. 9 is a characteristic diagram showing the amount of ion elution when sprayed with powder, FIG. 9 is a characteristic diagram showing the cleaning time when the flux is showered and applied, and when sprayed with powder, FIG. 10 is a diagram of the heat exchanger It is a figure which shows a manufacturing process and shows the cover mounting state in a seat board surface masking process.
本実施の形態の熱交換器4を製造するには、先ず、図3の工程図にある組み付け工程S1を行う。組み付け工程S1では、図4に示すように、チューブ11とコルゲートフィン12とを交互に積層させる。次に、そのチューブ11とコルゲートフィン12とからなる積層部に、ステンレスやアルミニウムなどからなる座板17を組み付ける。これで、コア部19が形成される。
In order to manufacture the heat exchanger 4 of the present embodiment, first, the assembly process S1 in the process diagram of FIG. 3 is performed. In the assembling step S1, the
座板17には、各チューブ11の端部を挿入させるためのスリットである嵌合孔が形成されている。この嵌合孔に挿入されたチューブ11の端部11aは、座板17の端面17aよりも引っ込んだ位置とされている。
The
次に、座板面マスキング工程S2を行う。座板面マスキング工程S2では、図5に示すように、座板17の端面17aに布やテープ等のマスキング材20を貼り付ける。このマスキング材20を座板17の端面17aに貼り付けることで、図6に示すように、座板17の開口側が閉塞され、チューブ11の端部11aが前記マスキング部材20により覆われることになる。マスキング部材20を座板17の端面17aに貼り付けるには、接着剤等を使用して行う。
Next, a seat plate surface masking step S2 is performed. In the seat plate surface masking step S2, as shown in FIG. 5, a masking
次に、粉体フラックス撒布工程S3を行う。粉体フラックス撒布工程S3では、従来のような水溶液のフラックスではなく、粉体のフラックスを使用する。粉末のフラックスとしては、ろう付け後に残食残渣が残り難い塩化物系フラックスではなくフッ化物系フラックスが好適である。 Next, a powder flux distribution step S3 is performed. In the powder flux distribution step S3, a powder flux is used instead of a conventional aqueous solution flux. As the powder flux, a fluoride flux is preferable instead of a chloride flux that hardly causes residual residue after brazing.
フッ化物系フラックス粉末の代表例としては、ALCAN社で開発されたノコロックフラックスが挙げられる。ノコロックフラックスの化合物形態としては、KAIF4とK2AIF5・H2Oの混合物があり、例えば古河アルミニウム工業株式会社製のFL7が使用できる。ノコロックフラックスの化学組成と化合物形態は、表1の通りである。
粉末フラックス撒布工程では、図7に示すように、ノズル21の先端から粉末フラックス22を、コア部19の外表面にふりかける。粉末フラックス22をコア部19の外表面にふりかけた場合、座板17の端面17aにはマスキング部材20が貼り付けられていることから、チューブ内部への粉末フラックス22の侵入が防止される。特に、フラックスとして水溶液を使用した場合には、チューブ11と座板17の挿入部分からフラックスが侵入するが、粉体のフラックスを使用することで前記挿入部分からのフラックスの侵入を抑制することができる。
In the powder flux distribution process, as shown in FIG. 7, the
次に、ろう付け工程S4を行う。ろう付け工程S4では、前記マスキング部材20を取り外した後、ろう付けされたコア部19を炉内に入れ加熱処理してろう付けを行い、チューブ11とコルゲートフィン12を接合すると共にチューブ11と座板17とを接合する。
Next, brazing process S4 is performed. In the brazing step S4, after the masking
次に、コア部19を炉から取り出し冷却した後、座板17にタンクを取り付ける。次いで、洗浄工程S5を行う。洗浄工程S5では、コア部19を洗浄してコア部19の内表面から残渣フラックスを取り除く。次に、コーティング工程S6を行う。コーティング工程S6は、ろう付けされたコア部19の燃料電池からの循環水が流通する内表面に樹脂コーティング層を形成する塗布工程S7、乾燥工程S8及び焼き付け工程S11からなる。
Next, after the
塗布工程S7は、コーティング液をコア部19内から排出してコア部19の内表面にコーティング液を塗布する。乾燥工程S8は、コア部19の内表面に塗布されたコート剤を乾燥する工程であり、直立乾燥工程S9と水平乾燥工程S10とからなる。直立乾燥工程S9は、チューブ11を上下方向に位置させた状態で乾燥させる。水平乾燥工程S10は、チューブ11を水平方向に位置させた状態で乾燥させる。焼き付け工程S11は、コーティング液をコア部19の内表面に焼き付ける。
In the coating step S <b> 7, the coating liquid is discharged from the
以上で、図2に示した熱交換器4が完成する。このように製造された熱交換器4では、図8に示すように、従来のシャワー塗布法に比べて本発明方法の粉体撒布法の方が遙かにイオン溶出量が低減できていることが判る。また、図9に示すように、洗浄時間も本発明方法の方が大幅に洗浄時間を短縮できていることが判る。つまり、本発明方法によれば、残渣フラックスの量を極めて少なくすることができるため、従来24時間以上掛かっていた洗浄時間を僅か1時間程度に短縮できる。よって、機械的除去が困難なチューブ内部に付着する残渣フラックス量が無くなる或いは極めて僅かになることから、熱交換器4の量産化が容易になる。 Thus, the heat exchanger 4 shown in FIG. 2 is completed. In the heat exchanger 4 manufactured in this way, as shown in FIG. 8, the amount of ion elution can be reduced by the powder distribution method of the present invention compared to the conventional shower coating method. I understand. In addition, as shown in FIG. 9, it can be seen that the cleaning time can be greatly shortened by the method of the present invention. That is, according to the method of the present invention, since the amount of residual flux can be extremely reduced, the cleaning time which has conventionally taken 24 hours or more can be shortened to only about 1 hour. Therefore, the amount of residual flux adhering to the inside of the tube, which is difficult to remove mechanically, is eliminated or extremely small, and mass production of the heat exchanger 4 is facilitated.
なお、前記実施の形態では、座板面マスキング工程S2において座板17の端面17aに布またはテープなどのマスキング部材20を貼り付けたが、図10に示すように、座板17に仮タンク23を取り付け、この仮タンク23で座板17の開口を覆うようにしてもよい。仮タンク23を取り付けることで、チューブ11の内部にフラックスが侵入するのを防止できる。
In the above embodiment, the masking
1…冷却系システム
2…燃料電池本体
3…ポンプ
4…熱交換器
11…チューブ
12…コルゲートフィン
13、14…タンク部
17…座板
17a…座板の端面
20…マスキング部材
22…粉末フラックス
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (1)
前記チューブ(11)の内部にフラックスが侵入しないように前記座板(17)の端面(17a)をマスキングする座板面マスキング工程(S2)と、
前記座板面マスキング工程(S2)後、前記コア部(19)に粉体のフラックスをふりかける粉体フラックス撒布工程(S3)と、
前記粉体フラックス撒布工程(S3)後、前記コア部(19)を加熱処理してろう付けするろう付け工程(S4)とを備えた
ことを特徴とする燃料電池用熱交換器の製造方法。 An assembling step (S1) for assembling the core portion (19) by assembling the seat plate (17) to the laminated portion where the tubes (11) and the corrugated fins (12) are alternately laminated;
A seat plate surface masking step (S2) for masking the end surface (17a) of the seat plate (17) so that flux does not enter the inside of the tube (11);
After the said seat board surface masking process (S2), the powder flux distribution process (S3) which sprinkles the powder flux on the said core part (19),
After the said powder flux distribution process (S3), it has the brazing process (S4) which heat-processes the said core part (19), The manufacturing method of the heat exchanger for fuel cells characterized by the above-mentioned.
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