JP2017150810A - Cooling method for hydrogen gas and cooling system for hydrogen gas - Google Patents

Cooling method for hydrogen gas and cooling system for hydrogen gas Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the size of a heat exchanger, secure cooling treatment amount of hydrogen gas, reduce use amount of brine used for cooling the hydrogen gas, suppress an increase in energy required for cooling the brine and sufficiently cool the hydrogen gas.SOLUTION: In a cooling method for hydrogen gas, a heat exchanger 10 including a laminate 26 in which first substrates 38 having first flow passages 32 arranged therein and second substrates 40 having second flow passages 34 arranged therein are laminated is prepared. In a cooling process of cooling hydrogen gas by exchanging heat between the hydrogen gas flowing in the first flow passages 32 and brine flowing in the second flow passages 34, the hydrogen gas is introduced to each of the first flow passages 32 and the brine is introduced to each of the second flow passages 34, so that the hydrogen gas flows from one side to the other side in a specific direction and the brine flows from the other side to one side, and a temperature and flow rate of the brine introduced to each of the second flow passages 34 are controlled so that a temperature of the brine at a second discharge port 34b is higher than that of the hydrogen gas at a first discharge port 52.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システムに関するものである。   The present invention relates to a hydrogen gas cooling method and a hydrogen gas cooling system.

燃料電池車に水素ガスを供給する水素ステーションでは、燃料電池車への水素ガスの充填効率を高めるため、水素ガスを充填前に高圧に圧縮する。この圧縮された水素ガスを燃料電池車のタンクへ充填する際、タンク内の圧力上昇に伴って圧縮熱が生じるため、その圧縮熱によるタンクの昇温を避けるために水素ステーションで高圧にされた水素ガスを冷却してから燃料電池車へ供給する。下記特許文献1及び下記特許文献2には、このような燃料電池車への供給前に水素ガスを冷却するための冷却方法及び冷却システムの一例が開示されている。   In a hydrogen station that supplies hydrogen gas to a fuel cell vehicle, the hydrogen gas is compressed to a high pressure before filling in order to increase the efficiency of filling the fuel cell vehicle with hydrogen gas. When filling the compressed hydrogen gas into the tank of the fuel cell vehicle, compression heat is generated as the pressure in the tank rises, so the pressure was increased at the hydrogen station to avoid the temperature rise of the tank due to the compression heat. The hydrogen gas is cooled before being supplied to the fuel cell vehicle. Patent Document 1 and Patent Document 2 below disclose examples of a cooling method and a cooling system for cooling hydrogen gas before supply to such a fuel cell vehicle.

下記特許文献1では、金属粉を含む伝熱媒体が充填された充填槽を内部に有する容器と、その容器の外部から充填槽に引き込まれて螺旋状をなすガス流路及び伝熱媒体流路とを有する熱交換器を備えた冷却システムが用いられている。ガス流路と伝熱媒体流路とは、互いに沿うように近接した状態で配設されている。ガス流路には、水素ガスが流され、伝熱媒体流路には、充填槽に充填された伝熱媒体とは異なる低温の伝熱媒体が流される。水素ガスは、ガス流路を流れながら、伝熱媒体流路を流れる伝熱媒体との間で直接的に又は充填槽中の伝熱媒体を介して熱交換することにより冷却される。   In the following Patent Document 1, a container having a filling tank filled with a heat transfer medium containing metal powder, and a gas flow path and a heat transfer medium flow path which are drawn into the filling tank from the outside of the container and form a spiral shape A cooling system comprising a heat exchanger with The gas flow path and the heat transfer medium flow path are arranged in close proximity to each other. Hydrogen gas flows through the gas flow path, and a low-temperature heat transfer medium different from the heat transfer medium filled in the filling tank flows through the heat transfer medium flow path. Hydrogen gas is cooled by exchanging heat directly with the heat transfer medium flowing through the heat transfer medium flow path or through the heat transfer medium in the filling tank while flowing through the gas flow path.

また、下記特許文献2では、水素ガスと冷媒を流通させる二重管を有する熱交換器を備えた冷却システムが用いられている。この冷却システムでは、伝熱効率を向上させるため、水素供給路と冷媒供給路の圧力を同程度にした二重管を用いることで、両供給路の境界を構成する内管の管壁の薄肉化を実現し、熱交換器の伝熱抵抗を低減するとともに熱交換器を小型化している。   Further, in Patent Document 2 below, a cooling system including a heat exchanger having a double pipe for circulating hydrogen gas and a refrigerant is used. In this cooling system, in order to improve heat transfer efficiency, a double pipe with the same pressure in the hydrogen supply path and the refrigerant supply path is used to reduce the wall thickness of the inner pipe that forms the boundary between the two supply paths. To reduce the heat transfer resistance of the heat exchanger and downsize the heat exchanger.

特開2010−121657号公報JP 2010-121657 A 特開2011−80495号公報JP 2011-80495 A

上記特許文献1に開示された水素ガスの冷却方法では、充填槽に多量の伝熱媒体を充填する必要があり、伝熱媒体の使用量が増大する。また、充填槽に充填された多量の伝熱媒体の熱抵抗は大きいため、この冷却方法で水素ガスの十分な冷却を行うためには、伝熱媒体流路に流す伝熱媒体をより低温にする必要があり、その伝熱媒体の冷却に要するエネルギが増大する。   In the hydrogen gas cooling method disclosed in Patent Document 1, it is necessary to fill a filling tank with a large amount of heat transfer medium, and the amount of heat transfer medium used increases. In addition, since the heat resistance of a large amount of heat transfer medium filled in the filling tank is large, in order to sufficiently cool the hydrogen gas by this cooling method, the heat transfer medium flowing through the heat transfer medium flow path is set to a lower temperature. And the energy required to cool the heat transfer medium increases.

一方、上記特許文献2に開示された水素ガスの冷却方法では、上記特許文献1の冷却方法に比べて伝熱媒体としての冷媒の使用量は減らすことができるものの、水素ガスの冷却処理量を増加するためには例えば二重管の本数を増やす必要がある。二重管の本数を増やす場合には、熱交換器が大型化する。また、上記特許文献2では、伝熱効率を向上させるため、水素供給路と冷媒供給路の圧力を同程度にすることが示されているが、実際には、高圧の水素ガスを燃料電池車に充填する際、水素ガスの圧力は刻々と変化する。このため、水素供給路に流す水素ガスの圧力制御を行ったとしても、実際には水素供給路と冷媒供給路との差圧は大きくなる。従って、この大きくなる差圧を考慮して安全率を有した管の肉厚の決定が必要となる。このため、結局は管の肉厚を大きくせざるを得ず、その結果、管の熱抵抗が大きくなる。この場合には、外管内の冷媒供給路に流す冷媒をより低温にしなければ、内管内の水素供給路を流れる水素ガスを十分に冷却することができなくなるため、冷媒の冷却に要するエネルギが増大する。   On the other hand, in the hydrogen gas cooling method disclosed in Patent Document 2, although the amount of refrigerant used as a heat transfer medium can be reduced compared to the cooling method of Patent Document 1, the amount of cooling treatment of hydrogen gas is reduced. In order to increase, for example, it is necessary to increase the number of double tubes. When increasing the number of double tubes, the heat exchanger becomes larger. In addition, in Patent Document 2 described above, in order to improve heat transfer efficiency, it is shown that the pressures of the hydrogen supply path and the refrigerant supply path are set to the same level, but in reality, high-pressure hydrogen gas is supplied to the fuel cell vehicle. When filling, the pressure of hydrogen gas changes every moment. For this reason, even if the pressure control of the hydrogen gas flowing through the hydrogen supply path is performed, the differential pressure between the hydrogen supply path and the refrigerant supply path actually increases. Therefore, it is necessary to determine the wall thickness of the pipe having a safety factor in consideration of this increasing differential pressure. For this reason, the wall thickness of the tube must eventually be increased, resulting in an increase in the thermal resistance of the tube. In this case, unless the refrigerant flowing through the refrigerant supply path in the outer pipe is cooled to a lower temperature, the hydrogen gas flowing through the hydrogen supply path in the inner pipe cannot be sufficiently cooled, and the energy required for cooling the refrigerant increases. To do.

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いる伝熱媒体としてのブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制し、且つ、水素ガスを十分に冷却できるようにすることである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to achieve heat transfer used for cooling hydrogen gas while simultaneously reducing the size of the heat exchanger and securing the cooling amount of hydrogen gas. It is to reduce the amount of brine used as a medium, suppress an increase in energy required for cooling the brine, and sufficiently cool the hydrogen gas.

上記目的を達成するために、本発明による水素ガスの冷却方法は、非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する方法であって、微細流路である複数の第1流路が配列された第1層と微細流路である複数の第2流路が配列された第2層とが積層された積層体を備える熱交換器であって、前記複数の第2流路が、前記第2層の幅方向の中心から一方側に配置された一方の群の第2流路と、前記第2層の幅方向の中心から他方側に配置された他方の群の第2流路とを含み、前記一方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記一方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有し、前記他方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記他方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有するものを用意する工程と、前記各第1流路に水素ガスを流通させるとともに前記各第2流路に水素ガスよりも低温のブラインを流通させて前記第1流路を流れる水素ガスと前記第2流路を流れるブラインとの間で熱交換させることにより水素ガスを冷却する冷却工程とを備え、前記冷却工程では、前記各第1流路を流れる水素ガスが前記第1層及び前記第2層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうとともに前記各第2流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように前記各第1流路に水素ガスを導入するとともに前記各第2流路にブラインを導入して、水素ガスを前記各第1流路の蛇行した形状に沿ってその第1流路に流通させるとともにブラインを前記各第2流路の蛇行した形状に沿ってその第2流路に流通させ、前記第2流路の出口でのブラインの温度が前記第1流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように前記各第2流路に導入するブラインの温度及び流量を制御する。   In order to achieve the above object, a method for cooling hydrogen gas according to the present invention is a method for cooling hydrogen gas using brine, which is a non-evaporable antifreeze, and includes a plurality of first channels that are fine channels. A heat exchanger including a laminate in which a first layer in which a plurality of second flow paths are arranged and a second layer in which a plurality of second flow paths are arranged is stacked, the plurality of second flow paths being The second flow path of one group arranged on one side from the center in the width direction of the second layer, and the second flow of the other group arranged on the other side from the center in the width direction of the second layer. A second channel of the one group includes a portion that linearly extends from a center side in the width direction of the second layer to an edge side on the one side in the width direction of the second layer; A meandering shape in which a portion that is folded back from the portion and linearly extends to the center side in the width direction of the second layer is repeatedly provided; The second flow path of the other group is a portion extending linearly from the center side in the width direction of the second layer to the other edge side in the width direction of the second layer, and folded back from the portion and A step of preparing a meandering shape in which a portion extending linearly toward the center side in the width direction of the second layer is prepared, hydrogen gas is circulated in each of the first flow paths, and each of the second layers. A cooling step of cooling the hydrogen gas by circulating a brine having a temperature lower than that of the hydrogen gas through the flow path and exchanging heat between the hydrogen gas flowing through the first flow path and the brine flowing through the second flow path. And in the cooling step, the hydrogen gas flowing through each first flow path is directed from one side to the other side in a specific direction orthogonal to the stacking direction of the first layer and the second layer, and the second flow path. The brine flowing through the specific direction A shape in which hydrogen gas is introduced into each first flow path from the other side to the one side and brine is introduced into each second flow path so that the hydrogen gas is meandered in each first flow path. And the brine is circulated to the second flow path along the meandering shape of each second flow path, and the temperature of the brine at the outlet of the second flow path is The temperature and flow rate of the brine introduced into each second flow path are controlled so as to be higher than the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the first flow path.

この水素ガスの冷却方法では、熱交換器の積層体内において微細流路である各第1流路を流れる水素ガスと微細流路である各第2流路を流れるブラインとの間での熱交換により水素ガスが冷却されるため、従来の充填槽に充填された伝熱媒体を介しての熱交換による水素ガスの冷却方法や従来の二重管内での冷媒と水素ガスとの間での熱交換による水素ガスの冷却方法に比べて、ブラインの単位体積当たりでの水素ガスとの熱交換効率が高くなり、その結果、ブラインの単位体積当たりでの水素ガスの冷却効率を高めることができる。また、第1流路を流れる水素ガスは下流側へ向かうに従って降温し、第2流路を流れるブラインは下流側、すなわち第1流路の水素ガスの入口側へ向かうに従って昇温するが、この水素ガスの冷却方法では、各第1流路を流れる水素ガスが積層体の各層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうとともに各第2流路を流れるブラインが前記他方側から前記一方側へ向かうように各第1流路に水素ガスを導入するとともに各第2流路にブラインを導入するため、水素ガスは、第1流路を下流側へ流れるに従って、第2流路の上流側のより低温のブラインとの間で熱交換することができる。このため、水素ガスの冷却効率をより高めることができる。さらに、この水素ガスの冷却方法では、第2流路の出口でのブラインの温度が第1流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように各第2流路に導入するブラインの温度及び流量を制御するため、第2流路の出口でのブラインの温度が第1流路の出口での水素ガスの温度以下になる場合に比べてブラインから水素ガスへ与えられるブライン流量(単位体積)あたりの冷熱が大きくなり、水素ガスをより有効に冷却することができる。以上のように、本冷却方法では、水素ガスの冷却効率を高めることができることから、ブラインの使用量を削減したとしても、また、ブラインを過剰に低温まで冷却しなくても、水素ガスを十分に冷却することができる。また、熱交換器の積層体内に微細流路である複数の第1流路と微細流路である複数の第2流路を集積することができるので、熱交換器の小型化を図りつつ水素ガスの冷却処理量を十分に確保することができる。従って、本冷却方法では、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。   In this hydrogen gas cooling method, heat exchange is performed between hydrogen gas flowing in each first flow path, which is a fine flow path, and brine flowing in each second flow path, which is a fine flow path, in a stack of heat exchangers. Therefore, the hydrogen gas is cooled by the conventional method of cooling the hydrogen gas by heat exchange through the heat transfer medium filled in the filling tank, and the heat between the refrigerant and the hydrogen gas in the conventional double pipe. Compared with the method of cooling hydrogen gas by exchange, the efficiency of heat exchange with hydrogen gas per unit volume of brine increases, and as a result, the cooling efficiency of hydrogen gas per unit volume of brine can be increased. In addition, the temperature of the hydrogen gas flowing through the first flow path decreases as it goes downstream, and the brine that flows through the second flow path increases in temperature toward the downstream side, that is, the inlet side of the hydrogen gas in the first flow path. In the hydrogen gas cooling method, the hydrogen gas flowing through each first flow path is directed from one side to the other side in a specific direction orthogonal to the stacking direction of each layer of the laminate, and the brine flowing through each second flow path is the other side. In order to introduce hydrogen gas into each first flow path and to introduce brine into each second flow path from the first flow path toward the one side, the hydrogen gas flows into the second flow path as it flows downstream through the first flow path. Heat can be exchanged with cooler brine upstream of the path. For this reason, the cooling efficiency of hydrogen gas can be improved more. Furthermore, in this hydrogen gas cooling method, the brine introduced into each second flow path so that the temperature of the brine at the outlet of the second flow path is higher than the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the first flow path. In order to control the temperature and the flow rate, the brine flow rate (unit) from the brine to the hydrogen gas is compared with the case where the temperature of the brine at the outlet of the second channel is equal to or lower than the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the first channel. The cold energy per volume) increases, and the hydrogen gas can be cooled more effectively. As described above, in this cooling method, the cooling efficiency of hydrogen gas can be increased. Therefore, even if the amount of brine used is reduced or the brine is not cooled to an excessively low temperature, sufficient hydrogen gas can be obtained. Can be cooled to. In addition, since a plurality of first flow paths that are fine flow paths and a plurality of second flow paths that are fine flow paths can be integrated in the stack of heat exchangers, hydrogen can be reduced while miniaturizing the heat exchanger. A sufficient amount of gas cooling can be ensured. Therefore, in this cooling method, while reducing the size of the heat exchanger and ensuring the amount of hydrogen gas cooling, the amount of brine used for cooling the hydrogen gas is reduced and the energy required for cooling the brine is increased. The hydrogen gas can be sufficiently cooled.

また、この水素ガスの冷却方法では、例えば流路が直線状に形成されている場合に比べて1つの層あたりに設けられる流路本数は少なくなるものの各流路の長さを大きくすることができ、積層体における第1流路と第2流路の伝熱面積を十分に確保することができる。また、1つの層あたりに設けられる流路本数が少なくなることによって、それらの流路に流す流体の総流量が同じである場合でも各流路をそれぞれ流れる流体の流速を上げることができる。一般的に、流路を流れる流体の流速が上がると、その流路内での流体の乱れが大きくなり、その結果、伝熱性能が向上する。従って、この水素ガスの冷却方法では、第1流路と第2流路の伝熱面積を十分に確保しつつ、各第1流路を流れる水素ガスの流速と各第2流路を流れるブラインの流速を上げてそれらの水素ガスとブラインとの間での伝熱性能を向上することができ、水素ガスをより有効に冷却することができる。   In addition, in this hydrogen gas cooling method, for example, the number of channels provided per layer is reduced compared to the case where the channels are formed in a straight line, but the length of each channel can be increased. And the heat transfer area of the first channel and the second channel in the laminate can be sufficiently secured. Further, since the number of flow paths provided per layer is reduced, the flow velocity of the fluid flowing through each flow path can be increased even when the total flow rate of the fluid flowing through these flow paths is the same. Generally, when the flow velocity of the fluid flowing through the flow path increases, the fluid turbulence in the flow path increases, and as a result, the heat transfer performance improves. Therefore, in this hydrogen gas cooling method, the flow rate of the hydrogen gas flowing through each first flow path and the brine flowing through each second flow path are ensured while ensuring a sufficient heat transfer area between the first flow path and the second flow path. Therefore, the heat transfer performance between the hydrogen gas and the brine can be improved, and the hydrogen gas can be cooled more effectively.

上記水素ガスの冷却方法において、前記冷却工程では、前記第2流路の出口でのブラインの温度がその第2流路の入口でのブラインの温度よりも10℃以上高くなるように前記各第2流路に導入するブラインの流量を制御することが好ましい。   In the hydrogen gas cooling method, in the cooling step, the temperature of the brine at the outlet of the second flow path is 10 ° C. higher than the temperature of the brine at the inlet of the second flow path. It is preferable to control the flow rate of the brine introduced into the two flow paths.

この構成によれば、熱交換器の積層体内において第2流路を流れるブラインから第1流路を流れる水素ガスへ与えられる冷熱を十分に大きくすることが可能な各第2流路へのブラインの導入流量の具体的な条件を設定することができる。   According to this configuration, the brine to each second flow path that can sufficiently increase the cold heat given from the brine flowing through the second flow path to the hydrogen gas flowing through the first flow path in the stack of heat exchangers. The specific conditions of the introduction flow rate can be set.

上記水素ガスの冷却方法において、前記冷却工程では、前記第2流路の入口でのブラインの温度が−40℃になるように前記各第2流路に導入するブラインの温度を制御することが好ましい。   In the hydrogen gas cooling method, in the cooling step, the temperature of the brine introduced into each of the second flow paths may be controlled so that the temperature of the brine at the inlet of the second flow path is −40 ° C. preferable.

この構成によれば、熱交換器の積層体の水素脆化を抑制しつつ、水素ガスを有効に冷却可能な各第2流路へ導入するブラインの温度条件を設定することができる。   According to this configuration, it is possible to set the temperature condition of the brine to be introduced into each second flow path capable of effectively cooling the hydrogen gas while suppressing hydrogen embrittlement of the stacked body of the heat exchanger.

本発明による水素ガスの冷却システムは、非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する冷却システムであって、ブラインを冷却する冷凍機と、前記冷凍機との間でブラインが循環するように前記冷凍機に接続され、水素ガスを前記冷凍機から供給されたブラインとの間で熱交換させることにより冷却する熱交換器と、前記冷凍機で冷却されたブラインを前記熱交換器へ送出するポンプとを備え、前記熱交換器は、水素ガスが導入されて流れる微細流路である複数の第1流路が配列された第1層とブラインが導入されて流れる微細流路である複数の第2流路が配列された第2層とが積層された積層体を有していて、前記第1流路を流れる水素ガスと前記第2流路を流れるブラインとの間で熱交換させ、前記複数の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心から一方側に配置された一方の群の第2流路と、前記第2層の幅方向の中心から他方側に配置された他方の群の第2流路とを含み、前記一方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記一方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有し、前記他方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記他方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有し、前記各第1流路の水素ガスの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第1流路を流れる水素ガスが前記第1層及び前記第2層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうように配置され、前記各第2流路のブラインの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第2流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように配置され、前記第2流路の出口でのブラインの温度が前記第1流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように、前記冷凍機が前記各第2流路へ供給するブラインの温度を制御するとともに前記ポンプが前記各第2流路へ送出するブラインの流量を制御する。   A hydrogen gas cooling system according to the present invention is a cooling system that cools hydrogen gas using brine, which is a non-evaporable antifreeze, and the brine circulates between the refrigerator that cools the brine and the refrigerator. A heat exchanger that is connected to the refrigerator and cools the hydrogen gas by heat exchange with the brine supplied from the refrigerator, and the brine cooled by the refrigerator is the heat exchanger The heat exchanger is a fine channel having a first layer in which a plurality of first channels, which are fine channels through which hydrogen gas is introduced and flowing, and a brine being introduced and flows. A stack having a second layer in which a plurality of second flow paths are arranged is stacked, and heat is generated between hydrogen gas flowing through the first flow path and brine flowing through the second flow path. The plurality of second flow paths are exchanged, The second flow path of one group disposed on one side from the center in the width direction of the second layer, and the second flow path of the other group disposed on the other side from the center in the width direction of the second layer. The second flow path of the one group includes a portion that linearly extends from a center side in the width direction of the second layer to an edge side on the one side in the width direction of the second layer; And the second flow path of the other group has a meandering shape in which a portion that is folded back and linearly extends toward the center in the width direction of the second layer is provided. A portion that linearly extends from the center side in the direction to the other edge side in the width direction of the second layer, and a portion that is folded back from the portion and extends linearly toward the center side in the width direction of the second layer. Has a meandering shape repeatedly provided, and the hydrogen gas inlet and outlet of each of the first flow paths are introduced from the inlet. The hydrogen gas flowing through the first flow path is arranged so as to go from one side to the other side in a specific direction orthogonal to the stacking direction of the first layer and the second layer, and the brine inlet of each second flow path And the outlet is arranged so that the brine introduced from the inlet and flowing through the second flow path is directed from the other side to the one side in the specific direction, and the temperature of the brine at the outlet of the second flow path is The temperature of the brine that the refrigerator supplies to each of the second channels is controlled so that the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the first channel is higher, and the pump is supplied to each of the second channels. Control the flow rate of brine to be sent out.

この水素ガスの冷却システムでは、上記水素ガスの冷却方法と同様の理由により、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。   In this hydrogen gas cooling system, for the same reason as the above hydrogen gas cooling method, the amount of brine used for cooling the hydrogen gas while at the same time reducing the size of the heat exchanger and securing the cooling processing amount of the hydrogen gas. , The increase in energy required for cooling the brine can be suppressed, and the hydrogen gas can be sufficiently cooled.

また、この水素ガスの冷却システムでは、例えば流路が直線状に形成されている場合に比べて1つの層あたりに設けられる流路本数は少なくなるものの各流路の長さを大きくすることができ、積層体における第1流路と第2流路の伝熱面積を十分に確保することができる。また、1つの層あたりに設けられる流路本数が少なくなることによって、それらの流路に流す流体の総流量が同じである場合でも各流路をそれぞれ流れる流体の流速を上げることができる。一般的に、流路を流れる流体の流速が上がると、その流路内での流体の乱れが大きくなり、その結果、伝熱性能が向上する。従って、この水素ガスの冷却システムでは、第1流路と第2流路の伝熱面積を十分に確保しつつ、各第1流路を流れる水素ガスの流速と各第2流路を流れるブラインの流速を上げてそれらの水素ガスとブラインとの間での伝熱性能を向上することができ、水素ガスをより有効に冷却することができる。   In addition, in this hydrogen gas cooling system, for example, the number of channels provided per layer is reduced compared to the case where the channels are formed in a straight line, but the length of each channel can be increased. And the heat transfer area of the first channel and the second channel in the laminate can be sufficiently secured. Further, since the number of flow paths provided per layer is reduced, the flow velocity of the fluid flowing through each flow path can be increased even when the total flow rate of the fluid flowing through these flow paths is the same. Generally, when the flow velocity of the fluid flowing through the flow path increases, the fluid turbulence in the flow path increases, and as a result, the heat transfer performance improves. Therefore, in this hydrogen gas cooling system, the flow rate of the hydrogen gas flowing through each first flow path and the brine flowing through each second flow path are ensured while ensuring a sufficient heat transfer area between the first flow path and the second flow path. Therefore, the heat transfer performance between the hydrogen gas and the brine can be improved, and the hydrogen gas can be cooled more effectively.

上記水素ガスの冷却システムにおいて、前記ポンプは、前記第2流路の出口でのブラインの温度がその第2流路の入口でのブラインの温度よりも10℃以上高くなる流量でブラインが前記各第2流路を流れるようにブラインを送出することが好ましい。   In the hydrogen gas cooling system, the pump is configured so that the brine is flown at a flow rate at which the brine temperature at the outlet of the second flow path is 10 ° C. or higher than the brine temperature at the inlet of the second flow path. It is preferable to send the brine so as to flow through the second flow path.

この構成によれば、熱交換器の積層体内において第2流路を流れるブラインから第1流路を流れる水素ガスへ与えられる冷熱を十分に大きくすることが可能なポンプのブラインの送出流量を具体的に設定することができる。   According to this configuration, the flow rate of the brine in the pump capable of sufficiently increasing the cold heat given from the brine flowing through the second flow path to the hydrogen gas flowing through the first flow path in the stack of heat exchangers Can be set automatically.

上記水素ガスの冷却システムにおいて、前記冷凍機は、前記第2流路の入口でのブラインの温度が−40℃になるように前記各第2流路へ供給するブラインの温度を制御することが好ましい。   In the hydrogen gas cooling system, the refrigerator may control the temperature of the brine supplied to each of the second flow paths so that the temperature of the brine at the inlet of the second flow path becomes −40 ° C. preferable.

この構成によれば、熱交換器の積層体の水素脆化を抑制しつつ、水素ガスを有効に冷却可能な冷凍機のブラインの冷却温度を具体的に設定することができる。   According to this configuration, it is possible to specifically set the cooling temperature of the brine in the refrigerator capable of effectively cooling the hydrogen gas while suppressing hydrogen embrittlement of the stacked body of the heat exchanger.

以上説明したように、本発明によれば、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。   As described above, according to the present invention, while reducing both the size of the heat exchanger and ensuring the amount of hydrogen gas cooling, the amount of brine used for cooling the hydrogen gas is reduced and the cooling of the brine is reduced. The increase in energy required for this can be suppressed, and the hydrogen gas can be sufficiently cooled.

本発明の一実施形態による水素ガスの冷却システムの全体構成を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the whole hydrogen gas cooling system composition by one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態による水素ガスの冷却システムに用いる熱交換器を基板積層方向における一方側から見た正面図である。It is the front view which looked at the heat exchanger used for the cooling system of hydrogen gas by one embodiment of the present invention from the one side in the substrate lamination direction. 図2に示した熱交換器を図2における右側から見た側面図である。It is the side view which looked at the heat exchanger shown in FIG. 2 from the right side in FIG. 図3に示した熱交換器の積層体の部分的な断面図である。It is a fragmentary sectional view of the laminated body of the heat exchanger shown in FIG. 図3に示した熱交換器の積層体において第1流路を形成する第1基板の概略的な平面図である。It is a schematic plan view of the 1st board | substrate which forms a 1st flow path in the laminated body of the heat exchanger shown in FIG. 図3に示した熱交換器の積層体において第2流路を形成する第2基板の概略的な平面図である。It is a schematic plan view of the 2nd board | substrate which forms a 2nd flow path in the laminated body of the heat exchanger shown in FIG.

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

まず、図1〜図6を参照して、本発明の一実施形態による水素ガスの冷却方法に用いる冷却システムの構成について説明する。   First, with reference to FIGS. 1-6, the structure of the cooling system used for the cooling method of the hydrogen gas by one Embodiment of this invention is demonstrated.

この冷却システムは、例えば水素ステーションにおいて燃料電池車90(図1参照)に供給する水素ガスを冷却するために用いられるものである。水素ステーションでは、燃料電池車90への水素ガスの充填効率を高めるために、水素ガスを高圧に圧縮した上で燃料電池車90へ供給するが、この水素ガスの圧縮に伴って圧縮熱が生じる。本実施形態の冷却システムは、この圧縮熱による水素ガスの昇温を避けるため、圧縮後の高圧の水素ガスを燃料電池車90への充填前に低温に冷却するものである。   This cooling system is used, for example, to cool hydrogen gas supplied to the fuel cell vehicle 90 (see FIG. 1) at a hydrogen station. In the hydrogen station, in order to increase the charging efficiency of the hydrogen gas into the fuel cell vehicle 90, the hydrogen gas is compressed to a high pressure and then supplied to the fuel cell vehicle 90, and compression heat is generated as the hydrogen gas is compressed. . The cooling system according to the present embodiment cools the compressed high-pressure hydrogen gas to a low temperature before filling the fuel cell vehicle 90 in order to avoid the temperature rise of the hydrogen gas due to the compression heat.

本実施形態の冷却システムは、図1に示すように、冷凍機2と、タンク4と、第1ポンプ6と、第2ポンプ8と、熱交換器10とを備える。   As shown in FIG. 1, the cooling system of the present embodiment includes a refrigerator 2, a tank 4, a first pump 6, a second pump 8, and a heat exchanger 10.

冷凍機2は、ブラインを冷却するものであり、ブラインの温度を制御する機能を備えている。ブラインは、非蒸発性の不凍液であり、例えば、エチレングリコール水や、フッ素系の液体等が用いられる。冷凍機2は、熱交換器10で水素ガスと熱交換して昇温したブラインが導入される導入部2aと、当該冷凍機2が冷却した後のブラインを吐出する吐出部2bとを有する。冷凍機2は、導入部2aから当該冷凍機2に導入されたブラインを低温の代替フロン等の冷媒との間で熱交換させることにより、そのブラインを冷却し、冷却後のブラインを吐出部2bから吐出する。冷凍機2は、冷媒の温度を変更可能に構成されており、その冷媒の温度を変更することによってブラインの冷却後の温度を制御するようになっている。冷凍機2には、例えば−30℃のブラインが導入され、そのブラインを例えば−40℃以下にまで冷却する。   The refrigerator 2 cools the brine and has a function of controlling the temperature of the brine. Brine is a non-evaporable antifreeze and, for example, ethylene glycol water, a fluorine-based liquid, or the like is used. The refrigerator 2 has an introduction part 2a into which brine heated by heat exchange with the heat exchanger 10 is introduced, and a discharge part 2b that discharges the brine after the refrigerator 2 is cooled. The refrigerator 2 heats the brine introduced into the refrigerator 2 from the introduction unit 2a with a refrigerant such as a low-temperature alternative chlorofluorocarbon, thereby cooling the brine and discharging the cooled brine to the discharge unit 2b. Discharge from. The refrigerator 2 is configured to be able to change the temperature of the refrigerant, and controls the temperature after cooling the brine by changing the temperature of the refrigerant. For example, a brine of −30 ° C. is introduced into the refrigerator 2, and the brine is cooled to, for example, −40 ° C. or lower.

タンク4は、ブラインを貯留するためのものである。タンク4内には、冷凍機2から吐出された冷却後のブラインを貯留するための冷却後ブライン貯留室12と、熱交換器10から排出された熱交換後のブラインを貯留するための熱交換後ブライン貯留室14とが設けられている。冷却後ブライン貯留室12は、配管18を介して冷凍機2の吐出部2bに接続されているとともに、配管20を介して熱交換器10の後述する供給ヘッダ28に接続されている。熱交換後ブライン貯留室14は、配管22を介して熱交換器10の後述する排出ヘッダ30に接続されているとともに、配管24を介して冷凍機2の導入部2aに接続されている。冷却後ブライン貯留室12と熱交換後ブライン貯留室14との間には、仕切壁16が設けられており、冷却後ブライン貯留室12に貯留された冷却後のブラインと熱交換後ブライン貯留室14に貯留された熱交換後のブラインとが混ざらないようになっている。また、仕切壁16は、高断熱性の材料によって形成されており、冷却後ブライン貯留室12に貯留されたブラインと熱交換後ブライン貯留室14に貯留されたブラインとの間で熱交換が生じるのを防いでいる。   The tank 4 is for storing brine. In the tank 4, the cooled brine storage chamber 12 for storing the cooled brine discharged from the refrigerator 2 and the heat exchange for storing the heat-exchanged brine discharged from the heat exchanger 10 are stored. A rear brine storage chamber 14 is provided. The post-cooling brine storage chamber 12 is connected to the discharge section 2b of the refrigerator 2 through a pipe 18 and is connected to a supply header 28 (to be described later) of the heat exchanger 10 through a pipe 20. The post-heat exchange brine storage chamber 14 is connected to a discharge header 30 (to be described later) of the heat exchanger 10 via a pipe 22 and connected to the introduction part 2 a of the refrigerator 2 via a pipe 24. A partition wall 16 is provided between the post-cooling brine storage chamber 12 and the post-heat exchange brine storage chamber 14, and the cooled brine stored in the post-cooling brine storage chamber 12 and the post-heat exchange brine storage chamber 14 and the brine after heat exchange stored in 14 are not mixed. Further, the partition wall 16 is formed of a highly heat insulating material, and heat exchange occurs between the brine stored in the brine storage chamber 12 after cooling and the brine stored in the brine storage chamber 14 after heat exchange. Is prevented.

第1ポンプ6は、冷却後ブライン貯留室12の出口に繋がる配管20に設けられており、冷却後ブライン貯留室12に貯留されたブラインを吸引するとともに熱交換器10へ送出するものである。この第1ポンプ6は、単位時間当たりのブラインの送出流量を変更可能に構成されている。   The first pump 6 is provided in a pipe 20 connected to the outlet of the post-cooling brine storage chamber 12, and sucks the brine stored in the post-cooling brine storage chamber 12 and sends it out to the heat exchanger 10. The first pump 6 is configured to be able to change the flow rate of brine per unit time.

第2ポンプ8は、熱交換後ブライン貯留室14の出口に繋がる配管24に設けられており、熱交換後ブライン貯留室14に貯留されたブラインを吸引するとともに冷凍機2の導入部2aへ送出するものである。この第2ポンプ8は、単位時間当たりのブラインの送出流量を変更可能に構成されている。   The second pump 8 is provided in a pipe 24 connected to the outlet of the brine storage chamber 14 after heat exchange, and sucks the brine stored in the brine storage chamber 14 after heat exchange and sends it to the introduction part 2a of the refrigerator 2. To do. The second pump 8 is configured to be able to change the brine delivery flow rate per unit time.

熱交換器10は、圧縮機100で圧縮されて高圧となった水素ガスを低温のブラインとの間で熱交換させて冷却するものである。この熱交換器10は、多数のマイクロチャネル(微細流路)を有し、その各マイクロチャネルにそれぞれ流体を流通させながら、その流体同士の間で熱交換を行わせる、いわゆるマイクロチャネル熱交換器である。   The heat exchanger 10 cools the hydrogen gas compressed by the compressor 100 to a high pressure by exchanging heat with the low-temperature brine. This heat exchanger 10 has a large number of microchannels (microchannels), and is a so-called microchannel heat exchanger that performs heat exchange between the fluids while circulating the fluids through the microchannels. It is.

熱交換器10は、多数の流路が内部に設けられた積層体26と、積層体26内の後述する第2流路34にブラインを供給するための供給ヘッダ28と、後述する第2流路34からブラインを排出するための排出ヘッダ30とを有する。   The heat exchanger 10 includes a laminated body 26 in which a large number of flow paths are provided, a supply header 28 for supplying brine to a second flow path 34 described later in the stacked body 26, and a second flow described later. And a discharge header 30 for discharging brine from the path 34.

積層体26は、直方体状の外形を有している。積層体26の内部には、図4に示すように、マイクロチャネル(微細流路)である多数の第1流路32と、マイクロチャネル(微細流路)である多数の第2流路34とが設けられている。第1流路32は、水素ガスを流通させるものであり、第2流路34は、水素ガスを冷却するためのブラインを流通させるものである。   The laminated body 26 has a rectangular parallelepiped outer shape. In the laminated body 26, as shown in FIG. 4, a large number of first flow paths 32 that are microchannels (fine flow paths) and a large number of second flow paths 34 that are microchannels (fine flow paths) Is provided. The first flow path 32 circulates hydrogen gas, and the second flow path 34 circulates brine for cooling the hydrogen gas.

積層体26は、図3に示すように、複数の第1基板38と、複数の第2基板40と、一対の端板42とによって形成されている。具体的には、第1基板38と第2基板40とが交互に繰り返し積層され、その積層方向の両端に一対の端板42が分かれて積層されることによって積層体26が形成されている。積層体26では、第1基板38の厚み方向の両側に第2基板40がそれぞれ積層されている。各第1基板38には、複数の第1流路32がそれぞれ配列され、各第2基板40には、複数の第2流路34がそれぞれ配列されている。各基板38,40は、例えばステンレス鋼等によって形成された薄い平板である。積層された基板38,40は、それらの互いに接触する板面同士が拡散接合されることによって一体化されている。なお、第1基板38は、本発明の第1層の一例であり、第2基板40は、本発明の第2層の一例である。   As shown in FIG. 3, the stacked body 26 is formed by a plurality of first substrates 38, a plurality of second substrates 40, and a pair of end plates 42. Specifically, the first substrate 38 and the second substrate 40 are alternately and repeatedly stacked, and a pair of end plates 42 are separately stacked at both ends in the stacking direction to form the stacked body 26. In the stacked body 26, the second substrate 40 is stacked on both sides of the first substrate 38 in the thickness direction. A plurality of first flow paths 32 are arranged on each first substrate 38, and a plurality of second flow paths 34 are arranged on each second substrate 40. Each of the substrates 38 and 40 is a thin flat plate made of, for example, stainless steel. The laminated substrates 38 and 40 are integrated by diffusion-bonding their plate surfaces that are in contact with each other. The first substrate 38 is an example of the first layer of the present invention, and the second substrate 40 is an example of the second layer of the present invention.

各第1基板38の厚み方向における一方の板面(図5参照)には、複数の第1流路32を形成するための複数の第1流路用溝部48が形成されている。なお、図5では、第1基板38に形成された複数の第1流路用溝部48全体の外形を示しており、第1流路用溝部48の1本ずつの図示については省略しているが、図5に示した外形内に複数の第1流路用溝部48が並列配置されている。第1基板38の前記一方の板面における複数の第1流路用溝部48の開口がその板面上に積層された第2基板40で封止されることによって、その一方の板面側に配列されるとともにその一方の板面に沿うように複数の第1流路32が形成されている。   A plurality of first channel grooves 48 for forming a plurality of first channels 32 are formed on one plate surface (see FIG. 5) in the thickness direction of each first substrate 38. In FIG. 5, the entire outer shape of the plurality of first flow path grooves 48 formed on the first substrate 38 is shown, and illustration of each of the first flow path grooves 48 is omitted. However, a plurality of first channel grooves 48 are arranged in parallel in the outer shape shown in FIG. The openings of the plurality of first flow channel grooves 48 on the one plate surface of the first substrate 38 are sealed with the second substrate 40 stacked on the plate surface, so that one plate surface side is closed. A plurality of first flow paths 32 are formed along the one plate surface while being arranged.

積層体26のうち第1基板38の長手方向の一端近傍(積層体26の上端近傍)で且つ第1基板38の幅方向の一端近傍の位置には、各第1流路32へ水素ガスを導入するための第1導入口50が形成されている。この第1導入口50は、本発明による第1流路の入口の一例である。第1導入口50は、各基板38,40と一対の端板42のうちの一方の端板42とを同じ位置で厚み方向に貫通して連通する貫通穴によって形成されている。これにより、第1導入口50は、基板38,40の積層方向に連続し、前記一方の端板42の表側の板面において開口した穴となっている。また、各第1基板38に形成された複数の第1流路32は、全て、この第1導入口50に繋がっている。すなわち、第1導入口50は、積層体26内に設けられた全ての第1流路32に共通の水素ガスの導入口となっている。   Hydrogen gas is supplied to each first flow path 32 at a position near one end in the longitudinal direction of the first substrate 38 (near the upper end of the laminate 26) and near one end in the width direction of the first substrate 38 in the stacked body 26. A first introduction port 50 for introduction is formed. The first introduction port 50 is an example of the inlet of the first flow path according to the present invention. The first introduction port 50 is formed by a through hole that penetrates each of the substrates 38 and 40 and one end plate 42 of the pair of end plates 42 at the same position and communicates in the thickness direction. Accordingly, the first introduction port 50 is a hole that is continuous in the stacking direction of the substrates 38 and 40 and opens on the front surface of the one end plate 42. The plurality of first flow paths 32 formed on each first substrate 38 are all connected to the first introduction port 50. That is, the first introduction port 50 is a hydrogen gas introduction port common to all the first flow paths 32 provided in the stacked body 26.

積層体26のうち第1基板38の長手方向及び幅方向において第1導入口50と反対側の端部近傍の位置には、各第1流路32を流れた水素ガスを排出するための第1排出口52が形成されている。この第1排出口52は、本発明による第1流路の出口の一例である。第1排出口52は、第1導入口50と同様、各基板38,40と前記一方の端板42を同じ位置で厚み方向に貫通して連通する貫通穴によって形成されている。また、第1排出口52は、第1導入口50と同様、積層体26内に設けられた全ての第1流路32に共通の水素ガスの排出口となっている。   In the laminated body 26, the first substrate 38 is disposed at a position near the end opposite to the first introduction port 50 in the longitudinal direction and the width direction of the first substrate 38 to discharge the hydrogen gas flowing through the first flow paths 32. One discharge port 52 is formed. This 1st discharge port 52 is an example of the exit of the 1st flow path by this invention. Similar to the first introduction port 50, the first discharge port 52 is formed by a through hole that passes through the substrates 38 and 40 and the one end plate 42 in the same direction in the thickness direction. Further, the first discharge port 52 is a hydrogen gas discharge port common to all the first flow paths 32 provided in the stacked body 26, similarly to the first introduction port 50.

第1流路32は、第1導入口50と第1排出口52の間で、第1基板38の幅方向の一方側から他方側へ直線的に延びる部分と、その部分から折り返されて第1基板38の幅方向の前記他方側から前記一方側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有する。   The first flow path 32 is a portion extending linearly from one side to the other side in the width direction of the first substrate 38 between the first introduction port 50 and the first discharge port 52, and is folded back from the portion. Each substrate 38 has a meandering shape in which a portion extending linearly from the other side in the width direction to the one side is repeatedly provided.

各第2基板40の厚み方向における一方の板面(図6参照)には、複数の第2流路34を形成するための複数の第2流路用溝部54が形成されている。なお、図6では、図5と同様、第2基板40に形成された複数の第2流路用溝部54全体の外形を示しており、第2流路用溝部54の1本ずつの図示については省略しているが、図6に示した外形内に複数の第2流路用溝部54が並列配置されている。第2基板40の前記一方の板面における複数の第2流路用溝部54の開口がその板面上に積層された第1基板38で封止されることによって、その一方の板面側に配列されるとともにその一方の板面に沿うように複数の第2流路34が形成されている。   A plurality of second channel grooves 54 for forming a plurality of second channels 34 are formed on one plate surface (see FIG. 6) in the thickness direction of each second substrate 40. 6 shows the overall outer shape of the plurality of second flow path grooves 54 formed on the second substrate 40, as in FIG. 5, and the illustration of the second flow path grooves 54 one by one is shown. Is omitted, but a plurality of second channel grooves 54 are arranged in parallel in the outer shape shown in FIG. The openings of the plurality of second flow channel grooves 54 on the one plate surface of the second substrate 40 are sealed with the first substrate 38 stacked on the plate surface, so that one plate surface side is closed. A plurality of second flow paths 34 are formed along the one plate surface while being arranged.

各第2基板40に形成された複数の第2流路34は、2系統に分かれている。具体的には、この複数の第2流路34は、第2基板40の幅方向の中心から一方側に配置された一方の群の第2流路34と、第2基板40の幅方向の中心から他方側に配置された他方の群の第2流路34とによって構成されている。前記一方の群の第2流路34は、第2基板40の幅方向の中心側からその第2基板40の幅方向の前記一方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、その部分から折り返されて第2基板40の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有する。また、前記他方の群の第2流路34は、前記一方の群の第2流路34と第2基板40の幅方向の中心に対して対称となる蛇行した形状を有する。   The plurality of second flow paths 34 formed on each second substrate 40 is divided into two systems. Specifically, the plurality of second flow paths 34 include one group of second flow paths 34 arranged on one side from the center in the width direction of the second substrate 40, and the width direction of the second substrate 40. It is comprised by the 2nd flow path 34 of the other group arrange | positioned on the other side from the center. The second flow path 34 of the one group is folded back from the portion extending linearly from the center side in the width direction of the second substrate 40 to the edge side on the one side in the width direction of the second substrate 40. Thus, the second substrate 40 has a meandering shape in which a portion extending linearly toward the center in the width direction is repeatedly provided. The second flow path 34 of the other group has a meandering shape that is symmetrical with respect to the center of the second flow path 34 of the one group and the second substrate 40 in the width direction.

第2基板40に形成された各第2流路34の一端は、第2基板40の長手方向に沿う積層体26の長手方向の一方側の端面、具体的には前記第1排出口52が配置された側の端面において開口している。これらの開口は、各第2流路34へブラインを導入するための第2導入口34aとなっている。第2導入口34aは、本発明による第2流路の入口の一例である。第2基板40に形成された各第2流路34の第2導入口34aと反対側の端部は、第2基板40の長手方向に沿う積層体26長手方向の他方側の端面、具体的には前記第1導入口50が配置された側の端面において開口している。これらの開口は、各第2流路34からブラインを排出するための第2排出口34bとなっている。第2排出口34bは、本発明による第2流路の出口の一例である。   One end of each second flow path 34 formed on the second substrate 40 is an end surface on one side in the longitudinal direction of the stacked body 26 along the longitudinal direction of the second substrate 40, specifically, the first discharge port 52 is provided. It opens at the end surface on the side where it is disposed. These openings serve as second introduction ports 34 a for introducing brine into each second flow path 34. The 2nd inlet 34a is an example of the entrance of the 2nd channel by the present invention. The end of each second flow path 34 formed on the second substrate 40 on the side opposite to the second introduction port 34a is the end surface on the other side in the longitudinal direction of the laminate 26 along the longitudinal direction of the second substrate 40, specifically Is open at the end surface on the side where the first introduction port 50 is disposed. These openings serve as second discharge ports 34 b for discharging the brine from the second flow paths 34. The 2nd discharge port 34b is an example of the exit of the 2nd flow path by this invention.

以上のように構成された積層体26において、第1基板38の一方の板面側に配列された複数の第1流路32のうち第1基板38の幅方向に直線的に延びる部分の形成領域と、第2基板40の一方の板面側に配列された複数の第2流路34のうち第2基板40の幅方向に直線的に延びる部分の形成領域とは、基板38,40の積層方向から見て互いに重なって一致している。また、熱交換器10(積層体26)は、第1導入口50及び第2排出口34bが上側に位置するとともに第1排出口52及び第2導入口34aが下側に位置し、且つ、積層体26の長手方向(各基板38,40の長手方向)が上下方向に一致するように配置される。すなわち、熱交換器10の積層体26では、各第1流路32の第1導入口50及び第1排出口52が、第1導入口50から導入されて各第1流路32を第1排出口52側へ流れる水素ガスが総体的には第1基板38及び第2基板40の積層方向に直交する鉛直方向において上側から下側へ向かうように配置されている。また、各第2流路34の第2導入口34a及び第2排出口34bが、第2導入口34aから導入されて各第2流路34を第2排出口34b側へ流れるブラインが総体的には鉛直方向において下側から上側へ向かうように配置されている。   In the stacked body 26 configured as described above, formation of a portion extending linearly in the width direction of the first substrate 38 among the plurality of first flow paths 32 arranged on one plate surface side of the first substrate 38. The region and the formation region of a portion extending linearly in the width direction of the second substrate 40 among the plurality of second flow paths 34 arranged on one plate surface side of the second substrate 40 are defined as the regions of the substrates 38 and 40. They overlap and match each other when viewed from the stacking direction. The heat exchanger 10 (laminate 26) has the first inlet 50 and the second outlet 34b located on the upper side, the first outlet 52 and the second inlet 34a located on the lower side, and It arrange | positions so that the longitudinal direction (longitudinal direction of each board | substrate 38,40) of the laminated body 26 may correspond with an up-down direction. That is, in the stacked body 26 of the heat exchanger 10, the first introduction port 50 and the first discharge port 52 of each first flow path 32 are introduced from the first introduction port 50, and each first flow path 32 passes through the first flow path 32. The hydrogen gas flowing toward the discharge port 52 is generally arranged so as to go from the upper side to the lower side in the vertical direction orthogonal to the stacking direction of the first substrate 38 and the second substrate 40. Moreover, the second introduction port 34a and the second discharge port 34b of each second flow path 34 are introduced from the second introduction port 34a, and the brine that flows to the second discharge port 34b side through each second flow path 34 is generally. Are arranged so as to be directed from the lower side to the upper side in the vertical direction.

供給ヘッダ28は、積層体26のうち第2導入口34aが形成された端面に取り付けられている。供給ヘッダ28には、配管20(図1参照)が接続されており、第1ポンプ6から送出されたブラインが配管20を通じて供給されるようになっている。供給ヘッダ28内には、供給されたブラインが通る内部空間が設けられており、この内部空間は、供給ヘッダ28が積層体26に取り付けられた状態で、積層体26に設けられた全ての第2流路34の第2導入口34aと連通するようになっている。すなわち、供給ヘッダ28に供給されたブラインは、その内部空間から各第2流路34の第2導入口34aに分配されて導入されるようになっている。   The supply header 28 is attached to the end surface of the stacked body 26 where the second introduction port 34a is formed. A pipe 20 (see FIG. 1) is connected to the supply header 28, and the brine sent from the first pump 6 is supplied through the pipe 20. In the supply header 28, an internal space through which the supplied brine passes is provided, and this internal space is provided in a state where all the second headers provided in the stacked body 26 with the supply header 28 attached to the stacked body 26. The second introduction port 34a of the two flow paths 34 is communicated. That is, the brine supplied to the supply header 28 is distributed and introduced from the internal space to the second inlets 34 a of the second flow paths 34.

排出ヘッダ30は、積層体26のうち第2排出口34bが形成された端面に取り付けられている。排出ヘッダ30には、配管22(図1参照)が接続されている。排出ヘッダ30内には、当該排出ヘッダ30が積層体26に取り付けられた状態で、積層体26に設けられた全ての第2流路34の第2排出口34bと連通する内部空間が設けられている。各第2流路34を流れたブラインは、それら各第2流路34の第2排出口34bから排出ヘッダ30の内部空間に流出し、その内部空間から配管22へ排出されるようになっている。   The discharge header 30 is attached to the end surface of the stacked body 26 where the second discharge port 34b is formed. A pipe 22 (see FIG. 1) is connected to the discharge header 30. In the discharge header 30, an internal space that communicates with the second discharge ports 34 b of all the second flow paths 34 provided in the stacked body 26 is provided in a state where the discharge header 30 is attached to the stacked body 26. ing. The brine that has flowed through each of the second flow paths 34 flows out from the second discharge port 34b of each of the second flow paths 34 to the internal space of the discharge header 30, and is discharged from the internal space to the pipe 22. Yes.

供給ヘッダ28には、第2流路34の第2導入口34aに導入されるブラインの温度を検出するブライン入口温度検出部60(図1及び図2参照)が接続されており、排出ヘッダ30には、第2流路34の第2排出口34bから排出されるブラインの温度を検出するブライン出口温度検出部62(図1及び図2参照)が接続されている。また、第1流路32の第1排出口52には、その第1排出口52から排出される水素ガスの温度を検出する水素ガス出口温度検出部64(図1及び図2参照)が接続されている。ブライン入口温度検出部60、ブライン出口温度検出部62及び水素ガス出口温度検出部64の各検出温度のデータは、第1ポンプ6に入力されるようになっており、第1ポンプ6は、それらの入力された検出温度のデータに基づいてブラインの送出流量の制御を行う。また、ブライン入口温度検出部60の検出温度のデータは、冷凍機2に入力されるようになっており、冷凍機2は、その入力された検出温度のデータに基づいてブラインの冷却温度を制御する。   Connected to the supply header 28 is a brine inlet temperature detector 60 (see FIGS. 1 and 2) for detecting the temperature of the brine introduced into the second inlet 34a of the second flow path 34, and the discharge header 30. A brine outlet temperature detector 62 (see FIGS. 1 and 2) for detecting the temperature of the brine discharged from the second outlet 34b of the second flow path 34 is connected to the second outlet 34b. Further, a hydrogen gas outlet temperature detector 64 (see FIGS. 1 and 2) for detecting the temperature of the hydrogen gas discharged from the first discharge port 52 is connected to the first discharge port 52 of the first flow path 32. Has been. The detected temperature data of the brine inlet temperature detector 60, the brine outlet temperature detector 62, and the hydrogen gas outlet temperature detector 64 are input to the first pump 6, and the first pump 6 Based on the input detected temperature data, the flow rate of the brine is controlled. In addition, the detected temperature data of the brine inlet temperature detection unit 60 is input to the refrigerator 2, and the refrigerator 2 controls the cooling temperature of the brine based on the input detected temperature data. To do.

また、本実施形態による冷却システムの熱交換器10は、要求される熱交換量をQ(kW)とし、熱交換器の形態に起因する値である総括伝熱係数をU(kW/m・℃)とし、熱交換器内の伝熱面積をA(m)とし、第2流路34の第2導入口34aでのブラインの温度と第2流路34の第2排出口34bでのブラインの温度とから求められる対数平均温度をdT(℃)とした場合に、次式(1)を満たすように、流路32,34の形状、サイズ及び本数、積層体26を構成する基板38,40の積層数等の構造が設計されている。 Further, the heat exchanger 10 of the cooling system according to the present embodiment sets the required heat exchange amount to Q (kW), and sets the overall heat transfer coefficient, which is a value resulting from the form of the heat exchanger, to U (kW / m 2). ° C), the heat transfer area in the heat exchanger is A (m 2 ), the brine temperature at the second inlet 34a of the second flow path 34 and the second outlet 34b of the second flow path 34 When the logarithmic average temperature obtained from the brine temperature is dT (° C.), the shape, size and number of the flow paths 32 and 34 and the substrate constituting the laminate 26 so as to satisfy the following equation (1) A structure such as the number of stacked layers of 38 and 40 is designed.

Q=U×A×dT・・・(1)   Q = U × A × dT (1)

次に、本実施形態による水素ガスの冷却方法について説明する。   Next, the method for cooling hydrogen gas according to the present embodiment will be described.

本実施形態による水素ガスの冷却方法では、上記の冷却システムを用意する。そして、冷凍機2(図1参照)がブラインを低温の冷媒との間で熱交換させることにより冷却し、その冷却後のブラインは吐出部2bから配管18を通じてタンク4の冷却後ブライン貯留室12へ送られる。冷却後ブライン貯留室12に導入されたブラインは、その貯留室12において一時的に貯留されるとともに、第1ポンプ6の吸引力により配管20へ排出される。このブラインは、第1ポンプ6により熱交換器10へ送られ、供給ヘッダ28(図2及び図3参照)の内部空間を通じて積層体26内の各第2流路34(図6参照)へそれらの第2導入口34aから導入される。   In the method for cooling hydrogen gas according to the present embodiment, the above cooling system is prepared. Then, the refrigerator 2 (see FIG. 1) cools the brine by exchanging heat with the low-temperature refrigerant, and the cooled brine is cooled after the cooling of the tank 4 through the pipe 18 from the discharge portion 2b. Sent to. The brine introduced into the brine storage chamber 12 after cooling is temporarily stored in the storage chamber 12 and discharged to the pipe 20 by the suction force of the first pump 6. The brine is sent to the heat exchanger 10 by the first pump 6 and passes through the internal space of the supply header 28 (see FIGS. 2 and 3) to each second flow path 34 (see FIG. 6) in the laminate 26. The second introduction port 34a is introduced.

冷凍機2は、第2導入口34aでのブラインの温度が−40℃になるようにブラインの冷却温度を制御する。具体的には、冷凍機2は、ブライン入口温度検出部60による検出温度が−40℃になるように冷媒の温度を調節してブラインの冷却温度を制御する。   The refrigerator 2 controls the cooling temperature of the brine so that the temperature of the brine at the second introduction port 34a becomes −40 ° C. Specifically, the refrigerator 2 controls the cooling temperature of the brine by adjusting the temperature of the refrigerant so that the temperature detected by the brine inlet temperature detection unit 60 becomes −40 ° C.

各第2流路34に導入されたブラインは、第2導入口34aから第2排出口34b側へ向かってその第2流路34を流れる。この各第2流路34を流れるブラインは、全体的には、積層体26の基板38,40の積層方向に直交する鉛直方向において下側から上側へ向かって移動する。   The brine introduced into each second channel 34 flows through the second channel 34 from the second inlet 34a toward the second outlet 34b. The brine flowing through each of the second flow paths 34 generally moves from the lower side to the upper side in the vertical direction perpendicular to the stacking direction of the substrates 38 and 40 of the stacked body 26.

一方、圧縮機100(図1参照)では、水素ガスが圧縮され、その圧縮後の高圧の水素ガスが、圧縮機100から熱交換器10の第1導入口50へ導入される。この第1導入口50に導入される水素ガスは、圧縮機100での圧縮後、冷却水により冷却されてその温度が40℃になっている。そして、第1導入口50に導入された水素ガスは、積層体26内の各第1流路32(図5参照)へ分配されて供給される。各第1流路32に供給された水素ガスは、第1導入口50側から第1排出口52側へ向かってその第1流路32を流れ、全体的には、鉛直方向において上側から下側へ向かって移動する。この過程において、各第1流路32(図4参照)を流れる水素ガスとその第1流路32に対して隣り合う第2流路34(図4参照)を流れるブラインとの間で、積層体26のうちその両流路32,34間に位置する部分を介して熱交換が行われる。これにより、水素ガスが冷却される。この際、水素ガスは、各第1流路32の下流側(第1排出口52側)へ流れるに従って漸次降温し、第1排出口52における水素ガスの温度は−37℃になる。   On the other hand, in the compressor 100 (see FIG. 1), the hydrogen gas is compressed, and the compressed high-pressure hydrogen gas is introduced from the compressor 100 into the first inlet 50 of the heat exchanger 10. The hydrogen gas introduced into the first introduction port 50 is cooled by cooling water after being compressed by the compressor 100, and the temperature thereof is 40 ° C. Then, the hydrogen gas introduced into the first introduction port 50 is distributed and supplied to each first flow path 32 (see FIG. 5) in the stacked body 26. The hydrogen gas supplied to each first flow path 32 flows through the first flow path 32 from the first introduction port 50 side toward the first discharge port 52 side, and generally falls from the upper side in the vertical direction. Move to the side. In this process, a stack is formed between hydrogen gas flowing through each first flow path 32 (see FIG. 4) and brine flowing through the second flow path 34 (see FIG. 4) adjacent to the first flow path 32. Heat exchange is performed through a portion of the body 26 located between the two flow paths 32 and 34. Thereby, hydrogen gas is cooled. At this time, the hydrogen gas gradually decreases in temperature as it flows to the downstream side (first discharge port 52 side) of each first flow path 32, and the temperature of the hydrogen gas at the first discharge port 52 becomes −37 ° C.

一方、ブラインは、各第2流路34の下流側(第2排出口34b側)へ流れるに従って漸次昇温する。この時のブラインの昇温の度合いは、第2流路34に導入されるブラインの温度及び流量によって異なるが、本実施形態では、第2排出口34bでのブラインの温度が第1排出口52での水素ガスの温度(−37℃)よりも高くなり、且つ、第2排出口34bでのブラインの温度が第2導入口34aでのブラインの温度(−40℃)よりも10℃以上高くなるように、各第2流路34に導入するブラインの流量、すなわち第1ポンプ6によるブラインの送出流量が制御される。具体的には、第1ポンプ6によるブラインの送出流量は、第2排出口34bでのブラインの温度が−30℃になるように制御される。   On the other hand, the brine gradually increases in temperature as it flows to the downstream side (second discharge port 34b side) of each second flow path 34. The degree of temperature rise of the brine at this time varies depending on the temperature and flow rate of the brine introduced into the second flow path 34, but in this embodiment, the temperature of the brine at the second discharge port 34b is the first discharge port 52. And the temperature of the brine at the second outlet 34b is 10 ° C. higher than the temperature of the brine (−40 ° C.) at the second inlet 34a. Thus, the flow rate of the brine introduced into each second flow path 34, that is, the flow rate of the brine delivered by the first pump 6 is controlled. Specifically, the brine feed flow rate by the first pump 6 is controlled so that the temperature of the brine at the second discharge port 34b is −30 ° C.

この時の第1ポンプ6によるブラインの送出流量の制御は、水素ガス出口温度検出部64による検出温度と、ブライン入口温度検出部60による検出温度と、ブライン出口温度検出部62による検出温度とに基づいて行われる。第1ポンプ6は、水素ガス出口温度検出部64による検出温度とブライン出口温度検出部62による検出温度とを比較して、ブライン出口温度検出部62による検出温度が水素ガス出口温度検出部64による検出温度以下である場合には、ブライン出口温度検出部62による検出温度が水素ガス出口温度検出部64による検出温度よりも高くなるまでブラインの送出流量を減少させる。また、第1ポンプ6は、ブライン出口温度検出部62による検出温度とブライン入口温度検出部60による検出温度との温度差が10℃よりも小さい場合には、その温度差が10℃以上になるまでブラインの送出流量を減少させ、より具体的にはブライン出口温度検出部62による検出温度が−30℃になるようにブラインの送出流量を制御する。   At this time, the control of the brine delivery flow rate by the first pump 6 includes the detection temperature by the hydrogen gas outlet temperature detection unit 64, the detection temperature by the brine inlet temperature detection unit 60, and the detection temperature by the brine outlet temperature detection unit 62. Based on. The first pump 6 compares the temperature detected by the hydrogen gas outlet temperature detector 64 with the temperature detected by the brine outlet temperature detector 62, and the detected temperature detected by the brine outlet temperature detector 62 is determined by the hydrogen gas outlet temperature detector 64. If the detected temperature is equal to or lower than the detected temperature, the brine delivery flow rate is decreased until the detected temperature by the brine outlet temperature detector 62 becomes higher than the detected temperature by the hydrogen gas outlet temperature detector 64. In addition, when the temperature difference between the temperature detected by the brine outlet temperature detector 62 and the temperature detected by the brine inlet temperature detector 60 is smaller than 10 ° C., the first pump 6 has a temperature difference of 10 ° C. or more. The brine delivery flow rate is decreased until the brine outlet flow rate detection unit 62 detects the temperature of -30 ° C.

冷却後の水素ガスは、各第1流路32の第1排出口52(図2及び図5参照)を通じて排出され、燃料電池車90(図1参照)へ供給される。一方、熱交換後のブラインは、各第2流路34の第2排出口34bから排出ヘッダ30の内部空間を通じて配管22(図1参照)へ排出されるとともに、その配管22を通じてタンク4の熱交換後ブライン貯留室14へ導入されて貯留される。熱交換後ブライン貯留室14に貯留された熱交換後のブラインは、第2ポンプ8により配管24を通じて吸引されるとともに冷凍機2へ送られ、その導入部2aから冷凍機2へ導入される。冷凍機2に導入された熱交換後のブラインは、再度冷却されて冷凍機2から熱交換器10へ供給される。   The cooled hydrogen gas is discharged through the first discharge ports 52 (see FIGS. 2 and 5) of the first flow paths 32 and supplied to the fuel cell vehicle 90 (see FIG. 1). On the other hand, the brine after heat exchange is discharged from the second discharge port 34b of each second flow path 34 to the pipe 22 (see FIG. 1) through the internal space of the discharge header 30, and the heat of the tank 4 is passed through the pipe 22. It is introduced into the brine storage chamber 14 after replacement and stored. The heat-exchanged brine stored in the post-heat-exchange brine storage chamber 14 is sucked through the pipe 24 by the second pump 8 and sent to the refrigerator 2 and introduced into the refrigerator 2 from the introduction part 2a. The brine after heat exchange introduced into the refrigerator 2 is cooled again and supplied from the refrigerator 2 to the heat exchanger 10.

以上のようにして本実施形態による水素ガスの冷却方法が実施される。   As described above, the method for cooling hydrogen gas according to the present embodiment is performed.

本実施形態では、熱交換器10の積層体26内においてマイクロチャネルである各第1流路32を流れる水素ガスとマイクロチャネルである各第2流路34を流れるブラインとの間での熱交換により水素ガスが冷却されるため、ブラインの単位体積当たりでの水素ガスとの熱交換効率を高めて水素ガスの冷却効率を高めることができる。また、第1流路32を流れる水素ガスは下流側へ向かうに従って降温し、第2流路34を流れるブラインは下流側、すなわち第1流路32の第1導入口50側へ向かうに従って昇温するが、本実施形態では、各第1流路32を流れる水素ガスが全体的に上側から下側へ向かって移動するとともに各第2流路34を流れるブラインが全体的に下側から上側へ向かって移動するため、水素ガスは、第1流路32の下流側へ流れるに従って第2流路34の上流側のより低温のブラインとの間で熱交換することができる。このため、水素ガスの冷却効率をより高めることができる。さらに、本実施形態では、第2流路34の第2排出口34bでのブラインの温度が第1流路32の第1排出口52での水素ガスの温度よりも高くなるように各第2流路34に導入するブラインの温度及び流量を制御するため、第2流路34の第2排出口34bでのブラインの温度が第1流路32の第1排出口52での水素ガスの温度以下になる場合に比べて熱交換器10でブラインから水素ガスへ与えられるブライン流量(単位体積)あたりの冷熱が大きくなり、水素ガスをより有効に冷却することができる。以上のように、本実施形態では、水素ガスの冷却効率を高めることができることから、ブラインの使用量を削減したとしても、また、ブラインを過剰に低温まで冷却しなくても、水素ガスを十分に冷却することができる。   In the present embodiment, heat exchange between hydrogen gas flowing through each first flow path 32 that is a microchannel and brine flowing through each second flow path 34 that is a microchannel in the stacked body 26 of the heat exchanger 10. Since the hydrogen gas is cooled by this, the efficiency of heat exchange with the hydrogen gas per unit volume of the brine can be increased to increase the cooling efficiency of the hydrogen gas. Further, the temperature of the hydrogen gas flowing through the first flow path 32 decreases as it goes downstream, and the brine flowing through the second flow path 34 increases in temperature as it goes downstream, that is, toward the first introduction port 50 side of the first flow path 32. However, in the present embodiment, the hydrogen gas flowing through each first flow path 32 moves from the upper side to the lower side as a whole, and the brine flowing through each second flow path 34 from the lower side to the upper side as a whole. Therefore, the hydrogen gas can exchange heat with the cooler brine on the upstream side of the second flow path 34 as it flows downstream of the first flow path 32. For this reason, the cooling efficiency of hydrogen gas can be improved more. Further, in the present embodiment, each second temperature is set such that the temperature of the brine at the second discharge port 34 b of the second flow path 34 is higher than the temperature of the hydrogen gas at the first discharge port 52 of the first flow path 32. In order to control the temperature and flow rate of the brine introduced into the flow path 34, the temperature of the brine at the second discharge port 34 b of the second flow path 34 is the temperature of the hydrogen gas at the first discharge port 52 of the first flow path 32. Compared to the following case, the cooling heat per brine flow rate (unit volume) given from the brine to the hydrogen gas in the heat exchanger 10 increases, and the hydrogen gas can be cooled more effectively. As described above, in this embodiment, since the cooling efficiency of hydrogen gas can be increased, even if the amount of brine used is reduced, the hydrogen gas can be sufficiently supplied even if the brine is not excessively cooled to a low temperature. Can be cooled to.

また、本実施形態では、熱交換器10の積層体26内にマイクロチャネルである多数の第1流路32とマイクロチャネルである多数の第2流路34を集積することができるので、熱交換器10の小型化を図りつつ水素ガスの冷却処理量を十分に確保することができる。従って、本実施形態では、熱交換器10の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、冷凍機2でブラインの冷却に要するエネルギ(冷媒の冷却に要するエネルギ)の増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。また、ブラインの使用量を削減できることによって、冷凍機2と熱交換器10との間でブラインを循環させるための第1ポンプ6及び第2ポンプ8の駆動に要するエネルギを削減することができる。   Moreover, in this embodiment, since the many 1st flow paths 32 which are microchannels, and the many 2nd flow paths 34 which are microchannels can be integrated in the laminated body 26 of the heat exchanger 10, heat exchange is carried out. It is possible to secure a sufficient amount of hydrogen gas cooling while reducing the size of the vessel 10. Therefore, in the present embodiment, while reducing the size of the heat exchanger 10 and securing the amount of cooling of the hydrogen gas, the amount of brine used for cooling the hydrogen gas is reduced, and the cooling of the brine is performed by the refrigerator 2. Increase in energy required for cooling (energy required for cooling the refrigerant) can be suppressed, and hydrogen gas can be sufficiently cooled. Further, since the amount of brine used can be reduced, the energy required to drive the first pump 6 and the second pump 8 for circulating the brine between the refrigerator 2 and the heat exchanger 10 can be reduced.

また、本実施形態では、各第1流路32と各第2流路34が蛇行した形状で形成されているため、例えばそれらの流路が直線状に形成されている場合に比べて各基板38,40の1枚あたりに設けられる流路32,34の本数は少なくなるものの各流路32,34の長さを大きくすることができ、積層体26における第1流路32と第2流路34の伝熱面積を十分に確保することができる。また、各基板38,40の1枚あたりに設けられる流路32,34の本数が少なくなることによって、それらの流路32,34に流す流体の総流量が同じである場合でも各流路32,34をそれぞれ流れる流体の流速を上げることができる。一般的に、流路を流れる流体の流速が上がると、その流路内での流体の乱れが大きくなり、その結果、伝熱性能が向上する。従って、本実施形態では、第1流路32と第2流路34の伝熱面積を十分に確保しつつ、各第1流路32を流れる水素ガスの流速と各第2流路34を流れるブラインの流速を上げてそれらの水素ガスとブラインとの間での伝熱性能を向上することができ、水素ガスをより有効に冷却することができる。   Moreover, in this embodiment, since each 1st flow path 32 and each 2nd flow path 34 are formed in the meandering shape, each board | substrate compared with the case where those flow paths are formed in linear form, for example. Although the number of flow paths 32 and 34 provided per sheet 38 and 40 is reduced, the length of each flow path 32 and 34 can be increased, and the first flow path 32 and the second flow in the laminate 26 can be increased. A sufficient heat transfer area of the passage 34 can be secured. Further, since the number of the flow paths 32 and 34 provided for each of the substrates 38 and 40 is reduced, each flow path 32 even when the total flow rate of the fluid flowing through the flow paths 32 and 34 is the same. , 34 can be increased in flow rate. Generally, when the flow velocity of the fluid flowing through the flow path increases, the fluid turbulence in the flow path increases, and as a result, the heat transfer performance improves. Therefore, in this embodiment, the flow rate of the hydrogen gas flowing through each first flow path 32 and each second flow path 34 are ensured while ensuring a sufficient heat transfer area between the first flow path 32 and the second flow path 34. The flow rate of the brine can be increased to improve the heat transfer performance between the hydrogen gas and the brine, and the hydrogen gas can be cooled more effectively.

また、本実施形態では、第2流路34の第2排出口34bでのブラインの温度がその第2流路34の第2導入口34aでのブラインの温度よりも10℃以上高くなるように各第2流路34に導入するブラインの流量を制御するため、熱交換器10において第2流路34を流れるブラインから第1流路32を流れる水素ガスへ与えられる冷熱を十分に大きくすることができ、水素ガスの冷却効率をより高めることができる。   In the present embodiment, the temperature of the brine at the second discharge port 34b of the second flow path 34 is set to be 10 ° C. or more higher than the temperature of the brine at the second introduction port 34a of the second flow path 34. In order to control the flow rate of the brine to be introduced into each second flow path 34, the cold heat given from the brine flowing through the second flow path 34 to the hydrogen gas flowing through the first flow path 32 in the heat exchanger 10 is sufficiently increased. And the cooling efficiency of hydrogen gas can be further increased.

また、本実施形態では、第2流路34の第2導入口34aでのブラインの温度が−40℃になるように各第2流路34に導入するブラインの温度を制御するため、熱交換器10の積層体26の水素脆化を抑制しつつ、水素ガスを十分に冷却することができる。具体的に、積層体26を構成する各基板38,40の材料であるステンレス鋼は−40℃よりも低温に冷却された状態で水素ガスと接触していると水素脆化が著しくなることが知られている。このため、本実施形態のように第2導入口34aでのブラインの温度が−40℃になるように各第2流路34に導入するブラインの温度を制御することにより、積層体26は−40℃以上の温度になり、水素脆化を抑制することができる。そして、第2導入口34aに−40℃のブラインを導入することで、積層体26の水素脆化を抑制しつつ第1流路32を流れる水素ガスを十分に冷却することができる。   In the present embodiment, the heat exchange is performed in order to control the temperature of the brine introduced into each second flow path 34 so that the temperature of the brine at the second introduction port 34a of the second flow path 34 becomes −40 ° C. The hydrogen gas can be sufficiently cooled while suppressing hydrogen embrittlement of the laminate 26 of the vessel 10. Specifically, when the stainless steel, which is the material of each of the substrates 38 and 40 constituting the laminated body 26, is in contact with hydrogen gas while being cooled to a temperature lower than −40 ° C., hydrogen embrittlement may be significant. Are known. For this reason, the laminated body 26 is − by controlling the temperature of the brine introduced into each second flow path 34 so that the temperature of the brine at the second introduction port 34a becomes −40 ° C. as in the present embodiment. The temperature becomes 40 ° C. or higher, and hydrogen embrittlement can be suppressed. The hydrogen gas flowing through the first flow path 32 can be sufficiently cooled while the hydrogen embrittlement of the stacked body 26 is suppressed by introducing brine at −40 ° C. into the second introduction port 34a.

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and further includes meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.

例えば、第1流路及び第2流路の形状としては、上記以外の様々な形状を適用することができる。例えば、第1流路及び第2流路は、上記のような折り返しを繰り返す蛇行形状をなすものに限定されず、例えば、直線状に延びるものであってもよい。   For example, various shapes other than the above can be applied as the shapes of the first flow path and the second flow path. For example, the first flow path and the second flow path are not limited to those having a meandering shape that repeats folding as described above, and may be, for example, linearly extending.

また、1枚の第1基板に形成される第1流路の数及び1枚の第2基板に形成される第2流路の数は、自由に設定可能である。また、各第1流路の幅及び断面形状と、各第2流路の幅及び断面形状についても自由に設定可能である。   Moreover, the number of the 1st flow paths formed in one 1st board | substrate and the number of the 2nd flow paths formed in one 2nd board | substrate can be set freely. Further, the width and cross-sectional shape of each first flow path and the width and cross-sectional shape of each second flow path can also be set freely.

また、上記実施形態では、第1流路が配列された第1基板と第2流路が配列された第2基板とが交互に積層されているが、積層の形態はこれに限定されない。例えば、水素ガスを流通させる第1流路が配列された1枚の第1基板に対して、ブラインを流通させる第2流路が配列された2枚以上の第2基板が積層されてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the 1st board | substrate with which the 1st flow path was arranged and the 2nd board | substrate with which the 2nd flow path was arranged are laminated | stacked alternately, the form of lamination | stacking is not limited to this. For example, two or more second substrates in which second flow paths for circulating brine are arranged may be stacked on one first substrate in which first flow paths for flowing hydrogen gas are arranged. .

また、熱交換器(積層体)の配置の向きは、上記のように基板の長手方向が上下方向に一致する向きに限定されない。例えば、基板の長手方向が水平方向に一致する向きや、その他、斜め向き等に熱交換器(積層体)を配置してもよい。   Further, the orientation of the heat exchanger (laminated body) is not limited to the orientation in which the longitudinal direction of the substrate coincides with the vertical direction as described above. For example, the heat exchanger (laminated body) may be arranged in a direction in which the longitudinal direction of the substrate coincides with the horizontal direction or in an oblique direction.

6 第1ポンプ
10 熱交換器
26 積層体
32 第1流路
34 第2流路
34a 第2導入口(入口)
34b 第2排出口(出口)
38 第1基板(第1層)
40 第2基板(第2層)
50 第1導入口(入口)
52 第1排出口(出口)
6 1st pump 10 heat exchanger 26 laminated body 32 1st flow path 34 2nd flow path 34a 2nd inlet (inlet)
34b Second outlet (exit)
38 First substrate (first layer)
40 Second substrate (second layer)
50 First inlet (entrance)
52 First outlet (exit)

Claims (6)

非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する方法であって、
微細流路である複数の第1流路が配列された第1層と微細流路である複数の第2流路が配列された第2層とが積層された積層体を備える熱交換器であって、前記複数の第2流路が、前記第2層の幅方向の中心から一方側に配置された一方の群の第2流路と、前記第2層の幅方向の中心から他方側に配置された他方の群の第2流路とを含み、前記一方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記一方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有し、前記他方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記他方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有するものを用意する工程と、
前記各第1流路に水素ガスを流通させるとともに前記各第2流路に水素ガスよりも低温のブラインを流通させて前記第1流路を流れる水素ガスと前記第2流路を流れるブラインとの間で熱交換させることにより水素ガスを冷却する冷却工程とを備え、
前記冷却工程では、前記各第1流路を流れる水素ガスが前記第1層及び前記第2層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうとともに前記各第2流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように前記各第1流路に水素ガスを導入するとともに前記各第2流路にブラインを導入して、水素ガスを前記各第1流路の蛇行した形状に沿ってその第1流路に流通させるとともにブラインを前記各第2流路の蛇行した形状に沿ってその第2流路に流通させ、前記第2流路の出口でのブラインの温度が前記第1流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように前記各第2流路に導入するブラインの温度及び流量を制御する、水素ガスの冷却方法。
A method of cooling hydrogen gas using brine, which is a non-evaporable antifreeze,
A heat exchanger provided with a laminate in which a first layer in which a plurality of first channels that are fine channels are arranged and a second layer in which a plurality of second channels that are fine channels are arranged are laminated. The plurality of second flow paths are arranged on one side from the center in the width direction of the second layer, and the other side from the center in the width direction of the second layer. The second flow path of the other group arranged on the one side in the width direction of the second layer from the center side in the width direction of the second layer. A portion that linearly extends to an edge side, and a meandering shape in which a portion that is folded back from the portion and extends linearly toward the center in the width direction of the second layer is repeatedly provided; The second flow path includes a portion that linearly extends from the center side in the width direction of the second layer to the other edge side in the width direction of the second layer, and is folded from the portion. Preparing a material having a returned by meandering shape and extends linearly part is provided repeatedly to the center side in the width direction of the second layer,
Hydrogen gas flows through each first flow path and brine having a temperature lower than hydrogen gas flows through each second flow path, and hydrogen gas flows through the first flow path and brine flows through the second flow path. A cooling process for cooling the hydrogen gas by exchanging heat between the two,
In the cooling step, hydrogen gas flowing through the first flow paths flows from one side to the other side in a specific direction orthogonal to the stacking direction of the first layer and the second layer and flows through the second flow paths. Hydrogen gas is introduced into each of the first flow paths and brine is introduced into each of the second flow paths so that the brine is directed from the other side to the one side in the specific direction, and hydrogen gas is introduced into each of the first flow paths. Along the meandering shape of the flow path to the first flow path and the brine to the second flow path along the meandering shape of each second flow path, at the outlet of the second flow path The method of cooling hydrogen gas, wherein the temperature and flow rate of the brine introduced into each second flow path are controlled so that the temperature of the brine in the second flow path is higher than the temperature of hydrogen gas at the outlet of the first flow path.
前記冷却工程では、前記第2流路の出口でのブラインの温度がその第2流路の入口でのブラインの温度よりも10℃以上高くなるように前記各第2流路に導入するブラインの流量を制御する、請求項1に記載の水素ガスの冷却方法。   In the cooling step, the brine introduced into each of the second channels so that the temperature of the brine at the outlet of the second channel is at least 10 ° C. higher than the temperature of the brine at the inlet of the second channel. The method for cooling hydrogen gas according to claim 1, wherein the flow rate is controlled. 前記冷却工程では、前記第2流路の入口でのブラインの温度が−40℃になるように前記各第2流路に導入するブラインの温度を制御する、請求項1又は2に記載の水素ガスの冷却方法。   3. The hydrogen according to claim 1, wherein in the cooling step, the temperature of the brine introduced into each second flow path is controlled so that the temperature of the brine at the inlet of the second flow path becomes −40 ° C. 4. Gas cooling method. 非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する冷却システムであって、
ブラインを冷却する冷凍機と、
前記冷凍機との間でブラインが循環するように前記冷凍機に接続され、水素ガスを前記冷凍機から供給されたブラインとの間で熱交換させることにより冷却する熱交換器と、
前記冷凍機で冷却されたブラインを前記熱交換器へ送出するポンプとを備え、
前記熱交換器は、水素ガスが導入されて流れる微細流路である複数の第1流路が配列された第1層とブラインが導入されて流れる微細流路である複数の第2流路が配列された第2層とが積層された積層体を有していて、前記第1流路を流れる水素ガスと前記第2流路を流れるブラインとの間で熱交換させ、
前記複数の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心から一方側に配置された一方の群の第2流路と、前記第2層の幅方向の中心から他方側に配置された他方の群の第2流路とを含み、
前記一方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記一方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有し、
前記他方の群の第2流路は、前記第2層の幅方向の中心側から前記第2層の幅方向の前記他方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、当該部分から折り返されて前記第2層の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有し、
前記各第1流路の水素ガスの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第1流路を流れる水素ガスが前記第1層及び前記第2層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうように配置され、
前記各第2流路のブラインの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第2流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように配置され、
前記第2流路の出口でのブラインの温度が前記第1流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように、前記冷凍機が前記各第2流路へ供給するブラインの温度を制御するとともに前記ポンプが前記各第2流路へ送出するブラインの流量を制御する、水素ガスの冷却システム。
A cooling system that cools hydrogen gas using brine, which is a non-evaporable antifreeze,
A refrigerator for cooling the brine;
A heat exchanger that is connected to the refrigerator so that brine circulates between the refrigerator and cools the hydrogen gas by heat exchange with the brine supplied from the refrigerator;
A pump for sending brine cooled by the refrigerator to the heat exchanger;
The heat exchanger has a first layer in which a plurality of first flow paths that are flowed by introducing hydrogen gas and a plurality of second flow paths that are flowed by introducing brine. Having a stacked body in which the arranged second layers are stacked, heat exchange between hydrogen gas flowing through the first flow path and brine flowing through the second flow path,
The plurality of second flow paths are disposed on the other side from the center in the width direction of the second layer, and the second flow path of one group disposed on the one side from the width direction center of the second layer. A second channel of the other group,
The second flow path of the one group is folded back from a portion extending linearly from the center side in the width direction of the second layer to the edge side on the one side in the width direction of the second layer. A meandering shape in which a portion extending linearly toward the center side in the width direction of the second layer is repeatedly provided;
The second flow path of the other group is folded back from the portion extending linearly from the center side in the width direction of the second layer to the edge side on the other side in the width direction of the second layer. A meandering shape in which a portion extending linearly toward the center side in the width direction of the second layer is repeatedly provided;
The hydrogen gas inlet and outlet of each of the first flow paths is one in a specific direction in which the hydrogen gas introduced from the inlet and flowing through the first flow path is orthogonal to the stacking direction of the first layer and the second layer. Arranged from one side to the other,
The brine inlet and outlet of each of the second flow paths are arranged such that the brine introduced from the inlet and flowing through the second flow path is directed from the other side to the one side in the specific direction,
The temperature of the brine that the refrigerator supplies to each of the second flow paths is set so that the temperature of the brine at the outlet of the second flow path is higher than the temperature of the hydrogen gas at the outlet of the first flow path. A hydrogen gas cooling system that controls and controls a flow rate of brine that the pump sends to each of the second flow paths.
前記ポンプは、前記第2流路の出口でのブラインの温度がその第2流路の入口でのブラインの温度よりも10℃以上高くなる流量でブラインが前記各第2流路を流れるようにブラインを送出する、請求項4に記載の水素ガスの冷却システム。   The pump is configured so that the brine flows through each of the second flow paths at a flow rate at which the brine temperature at the outlet of the second flow path is higher by 10 ° C. than the brine temperature at the inlet of the second flow path. The cooling system for hydrogen gas according to claim 4, wherein the brine is delivered. 前記冷凍機は、前記第2流路の入口でのブラインの温度が−40℃になるように前記各第2流路へ供給するブラインの温度を制御する、請求項4又は5に記載の水素ガスの冷却システム。   The hydrogen according to claim 4 or 5, wherein the refrigerator controls the temperature of the brine supplied to each of the second flow paths so that the temperature of the brine at the inlet of the second flow path is -40 ° C. Gas cooling system.
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