JP2015098946A - Heat exchanger for fuel battery circulation water - Google Patents
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Description
本発明は、主として、電気自動車に使用する燃料電池の循環水を、冷却するための燃料電池循環水用熱交換器に関し、特に、樹脂製タンク部から循環水へのイオン溶出を抑制する技術に関する。 The present invention mainly relates to a heat exchanger for circulating water in a fuel cell for cooling the circulating water in a fuel cell used for an electric vehicle, and particularly relates to a technique for suppressing ion elution from a resin tank to the circulating water. .
近年、電気自動車の燃料電池から排出される循環水を冷却する熱交換器の改良が盛んに行なわれている。
これは、イオン溶出による燃料電池内の触媒被毒を防止するためのものである。
すなわち、循環経路中に配置される熱交換器の金属部材から金属イオンが循環水中に溶出され、その金属イオンが燃料電池内に進入したとき、燃料電池内の触媒が被毒し、発電性能が低下するおそれがある。
そのため、熱交換器から金属イオンが循環水中に溶出しないようにする必要がある。
In recent years, heat exchangers that cool circulating water discharged from fuel cells of electric vehicles have been actively improved.
This is to prevent catalyst poisoning in the fuel cell due to ion elution.
That is, when metal ions are eluted into the circulating water from the metal member of the heat exchanger arranged in the circulation path, and the metal ions enter the fuel cell, the catalyst in the fuel cell is poisoned and the power generation performance is reduced. May decrease.
Therefore, it is necessary to prevent metal ions from eluting from the heat exchanger into the circulating water.
熱交換器からの金属イオン溶出を抑制する手段として、特許文献1に記載の熱交換器や、特許文献2に記載の熱交換器用タンクが提案されている。
特許文献1には、アルミニウム材からなる熱交換器部品をフラックスろう材を介して組立て、高温の炉内において一体的にろう付けして、熱交換器を製造し、その後、その内部を樹脂コーティングする方法を用いている。これにより、フラックス中及び熱交換器部品からの金属イオンの流出を防止することができると記載されている。
As means for suppressing elution of metal ions from the heat exchanger, a heat exchanger described in
In
特許文献2には、タンク以外の部材をアルミニウム材により成形しコアを組立て、その内部を樹脂コーティングする工程と、射出成形により樹脂製タンクを成形する工程を経た後、コアと樹脂製タンクをかしめ等により固定して熱交換器を製造している。
一般的に樹脂成形品(この例では、タンク)に使用される樹脂材料には、成形後の耐熱性や剛性を増すために、充填材(ガラス繊維、炭酸カルシウム、タルク、マイカ等)が添加されている。充填材には鉱物を微粉砕した無機粉末が使用され、この無機粉末はイオンに分解し易く、樹脂材料からのイオン(例えば、珪素イオン、マグネシウムイオン等の金属イオン)の溶出を起し易い。樹脂材料からのイオン溶出の理由として、水中で樹脂の結合が加水分解を起こし、その結合により束縛されていた金属イオンが溶出されるものと考えられる。
In
Generally, fillers (glass fiber, calcium carbonate, talc, mica, etc.) are added to resin materials used for resin molded products (in this example, tanks) to increase heat resistance and rigidity after molding. Has been. As the filler, an inorganic powder obtained by finely pulverizing mineral is used. This inorganic powder is easily decomposed into ions, and ions (for example, metal ions such as silicon ions and magnesium ions) are easily eluted from the resin material. As a reason for ion elution from the resin material, it is considered that the bond of the resin undergoes hydrolysis in water, and the metal ions bound by the bond are eluted.
上記文献2の熱交換器のタンクでは、樹脂材料中の充填材の金属イオンが熱交換器の使用により循環水中に混入することを防止するため、加水分解によるイオン溶出を比較的、起こし難いポリフェニレンスルフィド(以下、PPSと記載する)樹脂を用いてタンクを製造することを提案している。
In the tank of the heat exchanger of the above-mentioned
しかし、本願の発明者によれば、PPS樹脂により熱交換器のタンクを試作したところ、PPS樹脂製タンクは、もろく圧力変動に弱い欠点があり、熱交換器用タンクとして適していないことを実験により明らかにしている。また、PPS樹脂は従来使用されている樹脂材料よりも加水分解の耐性を有するが、さらに耐性を有するものが現在では求められている。
そこで、本発明はPPS樹脂に替わり、さらに加水分解耐性を有し、圧力変動に強い樹脂製タンクを用いた燃料電池循環水用熱交換器を提供することを課題とする。
However, according to the inventors of the present application, when a heat exchanger tank was prototyped using PPS resin, the PPS resin tank was fragile and weak against pressure fluctuations, and was not suitable as a heat exchanger tank. It is clear. Moreover, although PPS resin has hydrolysis resistance more than the resin material used conventionally, what has resistance further is calculated | required now.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a heat exchanger for circulating water in a fuel cell using a resin tank that has a hydrolysis resistance and is resistant to pressure fluctuations, instead of a PPS resin.
請求項1に記載の本発明は、偏平チューブ(1)とコルゲートフィン(10)とが交互に並列され、その偏平チューブ(1)の両端がヘッダプレート(2)に貫通されて、その貫通部が固定されたコア(3)と、
それぞれ一端が開口された細長い箱状に形成され、その開口縁外周に前記ヘッダプレート(2)の周縁部がカシメ固定される一対の樹脂製タンク本体(4)と、を具備する燃料電池循環水用熱交換器において、
その樹脂製タンク本体(4)をポリフタルアミド樹脂により成形することを特徴とする燃料電池循環水用熱交換器である。
According to the present invention, the flat tubes (1) and the corrugated fins (10) are alternately arranged in parallel, and both ends of the flat tubes (1) are penetrated by the header plate (2). Core (3) with fixed,
A fuel cell circulating water comprising a pair of resin tank bodies (4) each formed in a long and narrow box shape with one end open, and the periphery of the header plate (2) being caulked and fixed to the outer periphery of the opening edge In heat exchangers for
A heat exchanger for circulating water in a fuel cell, characterized in that the resin tank body (4) is molded from polyphthalamide resin.
請求項2に記載の本発明は、請求項1に記載の燃料電池循環水用熱交換器において、
それぞれの樹脂製タンク本体(4)の外面には、複数のシュラウド止着用のボス部(7)が互いに離間して一体に突設され、そのボス部(7)に導風用のシュラウド(9)の端部が締結具(8)を介して止着された燃料電池循環水用熱交換器である。
According to a second aspect of the present invention, in the heat exchanger for circulating fuel cell water according to the first aspect,
On the outer surface of each resin tank body (4), a plurality of shroud-fixing bosses (7) are provided so as to be separated from each other and integrally project, and the bosses (7) have a wind guide shroud (9). ) Is a heat exchanger for circulating water in a fuel cell, which is fixed by a fastener (8).
請求項3に記載の本発明は、請求項1または請求項2に記載の燃料電池循環水用熱交換器において、
前記偏平チューブ(1)が水平方向に位置して並列されると共に、前記樹脂製タンク本体(4)がコア(3)の両側に配置された燃料電池循環水用熱交換器である。
According to a third aspect of the present invention, in the heat exchanger for circulating fuel cell water according to the first or second aspect,
A fuel cell circulating water heat exchanger in which the flat tubes (1) are arranged in parallel in the horizontal direction and the resin tank body (4) is disposed on both sides of the core (3).
請求項4に記載の本発明は、請求項3に記載の燃料電池循環水用熱交換器において、
燃料電池(12)の発電により生成された生成水の少なくとも一部を噴霧する噴霧装置(15)を備えた燃料電池循環水用熱交換器である。
According to a fourth aspect of the present invention, in the heat exchanger for circulating fuel cell water according to the third aspect,
The fuel cell circulating water heat exchanger includes a spraying device (15) for spraying at least part of the generated water generated by power generation of the fuel cell (12).
本願の発明者は、樹脂製タンク本体に用いる樹脂材としてポリフタルアミド(以下、PPAと略称する)を使用したので、その樹脂自体からの純水へのイオン溶出が少ない。即ち、PPA樹脂は高温でのイオン溶出が従来樹脂よりも起こり難いものであるため、燃料電池の触媒被毒を可及的に抑制することができる。しかも、PPA樹脂を用いて樹脂製タンク本体が形成されると、高温使用時の物理的耐久性を有し、従来、使用されてきた樹脂製タンク本体に比較して、燃料電池循環水用熱交換器に適している。 Since the inventor of the present application uses polyphthalamide (hereinafter abbreviated as PPA) as a resin material used for the resin tank body, there is little ion elution from the resin itself into pure water. That is, since the PPA resin is less susceptible to ion elution at a high temperature than conventional resins, catalyst poisoning of the fuel cell can be suppressed as much as possible. In addition, when a resin tank body is formed using PPA resin, it has physical durability when used at high temperatures, and the heat for circulating fuel cell water is higher than that of a conventional resin tank body. Suitable for exchangers.
上記構成に加えて、請求項2に記載のように、それぞれの樹脂製タンク本体4の外面に複数のシュラウド止着用のボス部8を一体に突設し、そのボス部7に導風用のシュラウドの端部を締結具7を介して止着した場合には、その樹脂製タンク本体4をPPA樹脂としたので、高温使用時の物理的耐久性を有し、シュラウドの荷重、および導風に伴う荷重の加わるボス部7の強度を確保し、耐久性の高い熱交換器を提供できる。
In addition to the above configuration, as described in
さらに請求項3の発明のように、偏平チューブ1が水平方向に並設されると共に、樹脂製タンク本体4がコア3の両側に配置された場合には、樹脂製タンク本体を高温使用時の物理的耐久性を有するPPA樹脂としたので、熱交換器の設置の向きに起因する強度不足を懸念することなく、熱交換器の天地方向寸法を低くすることができ、熱交換器が搭載される車両の車高を低く抑えることができる。また、燃料電池車では、ガソリン車に比べて、冷却水が低流量である為、流速を確保する必要があるが、偏平チューブ1を水平方向に並設すると共に、樹脂製タンク本体4をコア3の両側に配置したので、流路断面積が小さく抑えられ、流速が確保でき、性能向上にもなる。
Further, as in the third aspect of the invention, when the
さらに請求項4の発明のように、燃料電池で生成された生成水を噴霧する噴霧装置を備える場合には、樹脂製タンク本体を耐薬品性に優れたPPA樹脂タンクとしたので、生成水に含まれる酸性水に起因する樹脂製タンク本体の破損を懸念することなく、噴霧された生成水の気化熱による放熱性能の向上を図ることができる。
Further, as in the invention of
次に、本発明の実施の形態につき説明する。
本発明に用いられる燃料電池循環水用熱交換器のコア3は、図1、図2に示す如く、燃料電池循環水が内部に流通する偏平チューブ1と、コルゲートフィン10とが、それぞれ水平方向に位置して交互に並列されるとともに、その各偏平チューブ1の両端部が多数の貫通孔を有する一対のヘッダプレート2に貫通されてなる。
ヘッダプレート2は、プレス成形により形成され、その底部周縁に凹部2bが環状溝に形成される。この凹部2bには、後述する樹脂製タンク本体4の段付き部4aがOリング6を介して着座する。また、ヘッダプレート2の側壁端部には、互いに離間して、多数の爪部2aが突設されている。
Next, an embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
The
ヘッダプレート2のそれぞれの貫通孔に、各偏平チューブ1の開口端部が貫通され、各偏平チューブ1間にこの例ではコルゲートフィンが介装される。それぞれの部材間にろう材が塗布され、各部品が炉内で一体的にろう付け固定される。
燃料電池循環水用熱交換器のコア3の内部は、偏平チューブ1の内表面とヘッダプレート2の内側を図3のごとく、樹脂によるコーティング材5で被膜することにより、ヘッダープレート2、偏平チューブ1およびろう材に含まれる金属粒子の循環水中への流出を防止する。そのコーティング工程、コーティング液組成については、各種特許文献に記載の公知技術を利用することができる。
The opening end portion of each
The
この樹脂製タンク本体4は、この例ではコア3の両側に一対設けられ、図3に示す如く、一方が開放された箱状に形成され、その開口縁に外側に膨出する段付き部4aが形成されるとともに、図1、図2に示す、循環水の出入口パイプ11がその側壁部に一体的に形成されている。さらに、その側壁部には互いに離間して一対のボス部7が突設形成され、その中心に雌ネジが螺刻されている。
このボス部7は、導風用のシュラウド9の端部を締結具8を介して固定するものである(図1〜図3参照)。このシュラウド9の内部には図示しないファンが配置され、シュラウド9の開口の外側には、図示しないファンモータの脚部が締結固定される。
また、このタンク本体4の段付き部4aは、図3に示す如く、ヘッダプレート2の凹部2bにOリング6を介して着座され、ヘッダプレート2の爪部2aを折り曲げることによって、タンク本体4とコア3とをかしめ固定するものである。
In this example, a pair of the
The
Further, as shown in FIG. 3, the stepped
この熱交換器は、燃料電池から排出される高温の循環水が一方の出入口パイプ11から一方の樹脂タンク本体4を介して各偏平チューブ1内に流入する。
チューブ1の外面側はファンの起風による冷却風が流通し、その冷却風と循環水と間に熱交換が行われた後、冷却風は一例としてシュラウド9の開口から外部に流出する。なお、シュラウド9側から冷却風をコア側に流通させることもできる。
偏平チューブ1を通過した循環水は、他方の樹脂タンク本体4の出入口パイプ11から流出し、燃料電池へ循環する。
本発明のようにタンクをPPA樹脂により成形すると、高温の循環水に曝露されても、今まで使用されてきた樹脂よりもイオン溶出を起こし難く、燃料電池の触媒被毒を可及的に防止するものとなる。それと共に、強度が強く、シュラウドを支持することができる。
In this heat exchanger, high-temperature circulating water discharged from the fuel cell flows into the
Cooling air generated by the fan's wind circulates on the outer surface side of the
The circulating water that has passed through the
When the tank is molded with PPA resin as in the present invention, even if it is exposed to high-temperature circulating water, ion elution is less likely to occur than conventional resins, and catalyst poisoning of the fuel cell is prevented as much as possible. Will be. At the same time, the strength is strong and the shroud can be supported.
次に、樹脂製タンク本体4は、PPA樹脂を射出成形することにより、製造される。この樹脂材は、PPAの繊維中にガラス繊維が30%〜40%程度含まれている。
本発明の特徴は、このPPA樹脂を用いて樹脂製タンク本体4を製造することにある。
このPPA樹脂は、図6、図7に示すとおり、近年提案されているPPS樹脂よりも熱に対する物理的な耐久性(引張強度、歪み率)が高く、タンク部として良好な材料であるといえる。
Next, the
A feature of the present invention is that a
As shown in FIGS. 6 and 7, this PPA resin has higher physical durability (tensile strength and strain rate) against heat than PPS resins proposed in recent years, and can be said to be a good material for the tank portion. .
次に、燃料電池循環水用熱交換器に用いられる材料には、樹脂材製造時に必然的に残留する金属イオンが循環水中に可能な限り溶出しないことを望む。
本発明の発明者は、図4に示すごとく、従来使用されている樹脂材料とPPA樹脂材料について導電率の測定をし、その金属イオンの溶出の程度を明らかにしている。ここで、導電率とは、樹脂材を一定時間、純水に浸漬した純水の導電率(μS/cm)のことをいう。
この実験では、PA66(商品名:66ナイロン)、PA66とPA612(612ナイロン)の合成繊維、PPS、PPAの各樹脂にガラス繊維を33%〜35%を含む各樹脂繊維を50℃の純水に750時間浸漬した後の導電率を測定している。
その結果、PPAは最も導電率が低く、PA66の数十分の1、PPS、PA66+PA612合成繊維の数分の1であることがわかり、燃料電池循環水用熱交換器のタンク材料として最適な材料であることを確認した。
図5は、図4の実験結果を考慮し、各材料の樹脂タンクとしての総合判断をしたものであり、△→○→◎の順に良好度を示す。
Next, it is desired that the metal ions inevitably remaining during the production of the resin material do not elute as much as possible in the circulating water as the material used for the heat exchanger for circulating fuel cell water.
As shown in FIG. 4, the inventor of the present invention measures the electrical conductivity of conventionally used resin materials and PPA resin materials and clarifies the degree of elution of the metal ions. Here, the conductivity means the conductivity (μS / cm) of pure water in which a resin material is immersed in pure water for a certain time.
In this experiment, PA66 (trade name: 66 nylon), PA66 and PA612 (612 nylon) synthetic fiber, each resin fiber containing 33% to 35% glass fiber in each resin of PPS and PPA, and pure water at 50 ° C. The conductivity after being immersed in 750 hours is measured.
As a result, it can be seen that PPA has the lowest conductivity, which is one-tenth of PA66, PPS, and a fraction of PA66 + PA612 synthetic fiber, and is the most suitable material for the tank material of the heat exchanger for fuel cell circulating water. It was confirmed that.
FIG. 5 is a result of comprehensive judgment as a resin tank of each material in consideration of the experimental result of FIG. 4, and shows the degree of goodness in the order of Δ → ○ → ◎.
この熱交換器16は、図8に示す如く、燃料電池12を含む循環路14の途中に配置される。
その循環路14には、熱交換器16と燃料電池12、貯留タンク13、バルブ17、ポンプPが含まれ、燃料電池を冷却する冷却水が循環する。また、燃料電池には図示しない水素と酸素の供給路が存在し、そこで生成した生成水は貯留タンク13に流入する。また、循環路14中のバルブ17を介して、配管が噴霧装置15に分岐する。この噴霧装置15は熱交換器16のコルゲートフィン10、および偏平チューブ1の外面に噴射され、熱交換を促進する。
この熱交換器16の裏面側には、同図では図示しないシュラウドが設けられ、その内部に起風用のファン18が配置されている。
As shown in FIG. 8, the
The
On the back side of the
1 偏平チューブ
2 ヘッダプレート
2a 爪部
2b 凹部
3 コア
4 樹脂製タンク本体
4a 段付き部
5 コーティング材
6 Oリング
7 ボス部
1
2a Claw
4a Stepped
8 締結具
9 シュラウド
10 コルゲートフィン
11 出入口パイプ
12 燃料電池
13 貯留タンク
14 循環路
15 噴霧装置
16 熱交換器
17 バルブ
18 ファン
8
10 Corrugated fin
11 Entrance pipe
12 Fuel cell
13 Storage tank
14 Circuit
15 Spraying device
16 Heat exchanger
17 Valve
18 fans
Claims (4)
それぞれ一端が開口された細長い箱状に形成され、その開口縁外周に前記ヘッダープレート(2)の周縁部がカシメ固定される一対の樹脂製タンク本体(4)と、を具備する燃料電池循環水用熱交換器において、
それぞれの樹脂製タンク本体(4)をポリフタルアミド樹脂により成形することを特徴とする燃料電池循環水用熱交換器。 The flat tube (1) and the corrugated fin (10) are alternately arranged in parallel, both ends of the flat tube (1) are penetrated by the header plate (2), and the core (3) having the through-hole fixed thereto,
A fuel cell circulating water comprising a pair of resin tank bodies (4) each formed in a long and narrow box shape with one end opened, and the periphery of the header plate (2) being caulked and fixed to the outer periphery of the opening edge In heat exchangers for
A heat exchanger for circulating water in a fuel cell, wherein each resin tank body (4) is molded from polyphthalamide resin.
それぞれの樹脂製タンク本体(4)の外面には、複数のシュラウド止着用のボス部(7)が互いに離間して一体に突設され、そのボス部(7)に導風用のシュラウド(9)の端部が締結具(8)を介して止着された燃料電池循環水用熱交換器。 The heat exchanger for circulating fuel cell water according to claim 1,
On the outer surface of each resin tank body (4), a plurality of shroud-fixing bosses (7) are provided so as to be separated from each other and integrally project, and the bosses (7) have a wind guide shroud (9). ) Is a heat exchanger for circulating water in a fuel cell in which the end of the fuel cell is fixed via a fastener (8).
前記偏平チューブ(1)が水平方向に位置して並列されると共に、前記樹脂製タンク本体(4)がコア(3)の両側に配置された燃料電池循環水用熱交換器。 In the heat exchanger for circulating fuel cell water according to claim 1 or 2,
A heat exchanger for circulating water in a fuel cell, in which the flat tubes (1) are positioned in parallel in the horizontal direction and the resin tank body (4) is disposed on both sides of the core (3).
燃料電池(12)の発電により生成された生成水の少なくとも一部を噴霧する噴霧装置(15)を備えた燃料電池循環水用熱交換器。 The heat exchanger for circulating fuel cell water according to claim 3,
A fuel cell circulating water heat exchanger comprising a spraying device (15) for spraying at least part of the generated water generated by power generation of the fuel cell (12).
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