JP5178459B2 - 流体加熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、流体加熱装置に関する。

燃料電池スタックは、アノードガス(水素ガス)及びカソードガス(空気)が供給されて発電する。発電時は温度が上昇して発熱するので、適温に調整された冷却水を供給する必要がある。また発電反応時に水分が生成される。周囲温度が氷点下の環境に放置されると、スタック内部に残留した水が凍結するおそれがある。そこで燃料電池の起動時に凍結した氷を迅速に解凍すべく、十分に加熱された冷却水を燃料電池スタックに供給することが望ましい。

燃料電池スタックに供給する冷却水を加熱する流体加熱装置の一例としては、たとえば円柱状の管に仕切り板を設けて管内部を分離し、それぞれの空間にヒータを搭載したものがある(特許文献１参照)。
特開平１０−１３２３８０号公報

氷点下起動時に冷却水を早急に加熱するには、たとえばヒータを出力アップすればよい。しかしながらヒータを出力アップすると、ヒータ出力密度の増加にともなってヒータ表面で局所沸騰が発生する可能性がある。局所沸騰が発生してはヒータの熱交換効率が低下してしまう。また冷却水中にバブルが混入してしまってガス噛みによる冷却水循環系システムへの悪影響のおそれがある。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、局所沸騰が発生することなく流体(冷却水)を早急に加熱することができる流体加熱装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明は、入口から出口まで内部を流体が流れるケースと、ケース内に設けられ、入口からケース内へ流入した流体を分流する流路分割体と、ケース内に設けられ、隣り合って位置する根元部分が直線状で互いに平行し、その隣り合う平行部分の間に流路分割体を位置させて、先端が円弧状であって、流路分割体によって分流されて隣り合う平行部分に沿って同方向に流れて出口に流れる流体を加熱するＵ字形のヒータと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、流路分割体によって流路断面積が小分化される。このためケースの内部を流れる冷却水の流速が増しヒータ表面での局所沸騰を低減でき、ヒータの熱交換効率の低下を抑制するすることができる。そのため流体(冷却水)を早急に加熱することができるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（基本システムについて）
図１は、本実施形態による流体加熱装置を使用する基本的な燃料電池システムについて説明する図である。

燃料電池システムＳは、燃料電池スタック１０と、冷却水ポンプ２０と、流体加熱装置３０と、三方弁４０と、ラジエータ５０と、リザーバタンク６０と、バイパス流路７０と、を含む。

燃料電池スタック１０は、アノードガス(水素ガス)及びカソードガス(空気)が供給されて発電する。発電時は温度が上昇して発熱するので、適温に調整された冷却水を供給する必要がある。

なお燃料電池スタック１０は、特には限定されない。すなわち燃料電池スタック１０は、高分子イオン交換膜の両主面にアノード側の触媒層及びガス拡散層とカソード側の触媒層及びガス拡散層とを配してなるＭＥＡと、燃料ガス(水素含有ガス)供給面を有するアノードセパレータと、酸化剤ガス供給面を有するカソードセパレータと、を直列に積層することによって構成された単セルを含む。燃料電池スタック１０は、この単セルを所定数積層する。アノード側に供給された燃料ガスは、触媒層にて水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側触媒層へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側ガス拡散層には、酸化剤ガス、たとえば酸素含有ガス又は空気が供給されている。このカソード側触媒層において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。燃料ガスと酸化剤ガスとの反応熱によって燃料電池スタックの温度も昇温する。このとき高分子イオン交換膜が過剰に昇温しないように燃料電池スタックを冷却する必要がある。そこで、セパレータにおけるガス供給面の裏面に冷却水を供給することで燃料電池スタックの温度を制御する。また燃料電池の使用環境によっては雰囲気温度が氷点下となり、生成水が燃料電池スタック中で凍結する可能性がある。生成水が凍結しては、氷が流路を閉塞したり触媒表面を被覆してしまって燃料電池の発電を妨げるおそれがある。そこで凍結した氷を早急に解凍すべく燃料電池システムＳには流体加熱装置３０が設けられている。

冷却水ポンプ２０は、冷却水を圧送する。

流体加熱装置３０は、冷却水ポンプ２０によって圧送された冷却水を加熱する流体加熱装置である。流体加熱装置３０によって加熱された冷却水が燃料電池スタック１０に供給される。冷却水は流体加熱装置３０に入口３１１から流れ込み、出口３１２から流れ出る。

三方弁４０は、燃料電池スタック１０から流れ出た冷却水の流れ方向をラジエータ５０又はバイパス流路７０に切り替える弁である。燃料電池スタック１０の運転状態に対して冷却水が高温であれば、三方弁４０は冷却水をラジエータ５０に流す。燃料電池スタック１０の運転状態に対して冷却水が低温であれば、三方弁４０は冷却水をバイパス流路７０に流す。

ラジエータ５０は、燃料電池スタック１０から流れ出た冷却水の熱を放熱する。

リザーバタンク６０は、ラジエータ５０で余剰の冷却水を一時貯留する。

バイパス流路７０は、ラジエータ５０を回避したい冷却水を流す。

図２は本実施形態による流体加熱装置の外観を示す図であり、図２(Ａ)は左側面図、図２(Ｂ)は平面図、図２(Ｃ)は正面図である。

流体加熱装置３０は、ケース３１と、入口側ヒータ３２−１と、真中ヒータ３２−２と、出口側ヒータ３２−３と、を有する。なお以下では、入口側ヒータ３２−１、真中ヒータ３２−２及び出口側ヒータ３２−３に共通する説明については、添字を除いてヒータ３２として説明する。

ケース３１は、入口３１１と、出口３１２と、を含む。本実施形態では図２(Ｃ)に示されているように、入口３１１及び出口３１２はケース３１の対角に配置される。ケース３１は、入口３１１から出口３１２まで内部を流体(冷却水ポンプ２０によって圧送された冷却水)が流れる。ケース３１は、本実施形態では直方体状の筐体である。ケース３１は、たとえばステンレス鋼板やアルミニウム板といった耐食性に優れた材料の金属板材を溶接やロウ付け等により接合することで形成している。

ヒータ３２は電気ヒータである。一端３２ａ(３２ａ−１，３２ａ−２，３２ａ−３)及び他端３２ｂ(３２ｂ−１，３２ｂ−２，３２ｂ−３)は、いずれも左側面から外部に露出する。

図３は本実施形態による流体加熱装置の構造を示す断面図であり、図３(Ａ)は左側断面図、図３(Ｂ−１)は図３(Ａ)(Ｃ)のBI-BI断面図、図３(Ｂ−２)は図３(Ａ)(Ｃ)のBII-BII断面図、図３(Ｃ)は正面断面図である。

図３(Ａ)及び図３(Ｃ)から分かるように、ケース３１の内部は、２枚の仕切板(入口側仕切板３１３−１及び出口側仕切板３１３−２)によって３つの流路層に区画されている。そして入口側ヒータ３２−１、真中ヒータ３２−２及び出口側ヒータ３２−３は、各流路層ごとに設けられる。また各流路層には、流路分割体３３(３３−１，３３−２，３３−３)が設けられる。仕切板３１３(３１３−１，３１３−２)及び流路分割体３３(３３−１，３３−２，３３−３)は、ケース３１と同じ材料を使用することが望ましい。同じ材料を使用すれば線膨張差よるストレスを低減できるからである。

そして図３(Ｂ−１)(Ｂ−２)から分かるように、各ヒータ３２は、隣り合って位置する部分３２ａ，３２ｂが直線状であって互いに平行し、先端３２ｃが円弧状のＵ字形ヒータである。また流路分割体３３(３３−１，３３−２，３３−３)は、直線状の長辺３３ａ，３３ｂと、その長辺３３ａ，３３ｂに連続する円弧状の端部３３ｃ，３３ｄと、で構成される。流路分割体３３は、ヒータ３２の隣り合う平行部分３２ａ，３２ｂの間に設けられる。流路分割体３３の長辺部分３３ａ，３３ｂは、ヒータ３２の直線部分３２ａ，３２ｂと平行する。流路分割体３３の長辺部分３３ａからヒータ３２の直線部分３２ａまでの距離は、ヒータ３２の直線部分３２ａからケース３１の内壁面３１ａまでの距離とほぼ同じである。流路分割体３３の長辺部分３３ｂからヒータ３２の直線部分３２ｂまでの距離は、ヒータ３２の直線部分３２ｂからケース３１の内壁面３１ｂまでの距離とほぼ同じである。すなわちヒータ３２の直線部分３２ａは、ケース内壁面３１ａから流路分割体長辺部分３３ａまでの間のほぼ真中に位置する。ヒータ３２の直線部分３２ｂは、ケース内壁面３１ｂから流路分割体長辺部分３３ｂまでの間のほぼ真中に位置する。

図３(Ｂ−１)に示すように仕切板３１３−１の右側(Ｕ字形ヒータ３２の長手方向先端側)には、矩形の連通孔３１３ａ−１が形成される。すなわち連通孔３１３ａ−１は、ケース入口３１１に対して、ケース入口側流路層のヒータ３２−１の長手方向反対側に位置する。仕切板３１３−１の四隅には、三角形の連通孔３１３ｂ−１が形成される。

図３(Ｂ−２)に示すように仕切板３１３−２の左側(Ｕ字形ヒータ３２の長手方向根元側)には、矩形の連通孔３１３ａ−２が形成される。すなわち連通孔３１３ａ−２は、連通孔３１３ａ−１に対して、ケース真中流路層のヒータ３２−２の長手方向反対側に位置する。またケース出口３１２は、連通孔３１３ａ−２に対して、ケース出口側流路層のヒータ３２−３の長手方向反対側に位置する。仕切板３１３−２の四隅には、三角形の連通孔３１３ｂ−２が形成される。

図４は流路分割体の固定方法を説明する図であり、図４(Ａ)は左側断面図、図４(Ｂ)は平面図、図４(Ｃ)は正面断面図である。

図４(Ａ)の左側(図４(Ｃ)の下側)の入口側流路分割体３３−１には、ザグリ部３３１−１が形成される。ザグリ部３３１−１にボルト３４１−１，３４２−１，３４３−１が配置される。ボルト３４１−１，３４２−１，３４３−１は、入口側流路分割体３３−１及び仕切板３１３−１を貫通して真中流路分割体３３−２に螺入される。

同様に図４(Ａ)の右側(図４(Ｃ)の上側)の出口側流路分割体３３−３には、ザグリ部３３１−３が形成される。ザグリ部３３１−３にボルト３４１−３，３４２−３，３４３−３が配置される。ボルト３４１−３，３４２−３，３４３−３は、出口側流路分割体３３−３及び仕切板３１３−２を貫通して真中流路分割体３３−２に螺入される。

このような構造によって、流路分割体３３−１，３３−３及び仕切板３１３−１，３１３−２は、真中流路分割体３３−２にしっかりと固定される。

図５〜７は本実施形態による流体加熱装置による作用を説明する図であり、図５は冷却水がケース入口側流路層を流れている状態を示し、図６は冷却水がケース真中流路層を流れている状態を示し、図７は冷却水がケース出口側流路層を流れている状態を示す。また各図の図(Ａ)は左側断面図、図(Ｂ)は図(Ａ)(Ｃ)のＢ−Ｂ断面図、図(Ｃ)は正面断面図である。なお図中矢印は冷却水の流れを示す。

入口３１１からケース３１に流れ込んだ冷却水は、まず図５(Ｂ)に示すように図中左側から右側に流れる。このときケースの真中付近には入口側流路分割体３３−１があるので、冷却水は図５(Ｂ)に示すように上下に分かれて流れる。

図５(Ｂ)の右壁に到達した冷却水は、図６(Ｃ)に示すように連通孔３１３ａ−１を通ってケース真中流路層に流れ込む。そして図６(Ｂ)に示すように図中右側から左側に流れる。このときもケースの真中付近には流路分割体３３−２があるので、冷却水は図６(Ｂ)に示すように上下に分かれて流れる。

図６(Ｂ)の左壁に到達した冷却水は、図７(Ｃ)に示すように連通孔３１３ａ−２を通ってケース出口側流路層に流れ込む。そして図７(Ｂ)に示すように図中左側から右側に流れる。このときもケースの真中付近には出口側流路分割体３３−３があるので、冷却水は図７(Ｂ)に示すように上下に分かれて流れる。そして右壁に到達した冷却水は、図７(Ｃ)に示すように出口３１２からケース３１の外に流れ出る。

本実施形態によれば、仕切板３１３−１，３１３−２によってケース３１の内部が３つの流路層に分けられている。すなわち冷却水が流れる流路断面積が小分化されている。さらに流路分割体３３−１，３３−２，３３−３によって流路断面積がさらに小分化されている。このためケース３１の内部を流れる冷却水の流速が増しヒータ表面での局所沸騰を防止できる。したがって冷却水量を増加させることなくヒータの出力を上げることができる。

また流路分割体３３の長辺部分からヒータ３２の直線部分までの距離が、ヒータ３２の直線部分からケース３１の内壁面までの距離とほぼ同じであり、他に比べて離れた死角となる場所がなく、ケース３１の内部が均等に加熱されることとなる。比較例として挙げた流路分割体３３が無い場合は、図８(Ａ)のようにＵ字形ヒータの先端側の円弧状部分の表面温度が高温(１００℃)となってしまって、冷却水が沸騰する可能性がある。なお図８は温度分布図であり、濃淡で温度を示している。濃色ほど温度が高い。最濃色が１００℃である。

しかしながら流路分割体３３がある本実施形態では、図８(Ｂ)のようにＵ字形ヒータの表面温度が全体的に温度分布が少なくなり、ケース３１の内部が均等に加熱され、冷却水の沸騰を防止できる。

また仕切板３１３−１，３１３−２の四隅には、三角形の連通孔が形成されているので、流体加熱装置３０が傾斜した状態において、万一、冷却水にエアが混入した場合であっても、エアが移動でき、ある流路層に留まってしまうことがない。

（第２実施形態）
図９は本発明による流体加熱装置の第２実施形態の構造を示す断面図であり、図９(Ａ)は第１実施形態の図３(Ｂ−１)に相当する図、図９(Ｂ)は第１実施形態の図３(Ｂ−２)に相当する図である。

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態の流路分割体３３は直方体状である。このようであれば、流路分割体３３の形成が容易である。

（第３実施形態）
図１０は本発明による流体加熱装置の第３実施形態の構造を示す断面図であり、図１０(Ａ)は第１実施形態の図３(Ｂ−１)に相当する図、図１０(Ｂ)は第１実施形態の図３(Ｂ−２)に相当する図である。

本実施形態のケース３１の内部には、Ｕ字形ヒータの円弧状先端側の角に整流板壁３１４が形成されている。

このようにすることで、Ｕ字形ヒータの円弧状先端側の角に冷却水が到達することがない。したがって第１実施形態に比べて、さらに死角となる場所をなくすことができ、ケース３１の内部がさらに均等に加熱されることとなる。また冷却水の流れが一層スムーズになりケース３１の内部を流れる冷却水の流速が増しヒータ表面での局所沸騰を確実に防止できる。

（第４実施形態）
図１１は本発明による流体加熱装置の第４実施形態の構造を示す断面図であり、図１１(Ａ)は第１実施形態の図３(Ｂ−１)に相当する図、図１１(Ｂ)は第１実施形態の図３(Ｂ−２)に相当する図である。

本実施形態のケース３１は、図１１に示すような６角形状である。このようにすれば第３実施形態と同様の効果が得られるとともに、外形を小さくできるので車両への搭載性が向上する。

（第５実施形態）
図１２は本発明による流体加熱装置の第５実施形態の構造を示す断面図であり、第１実施形態の図３(Ｃ)に相当する図である。

本実施形態では、ケース入口側流路層、ケース真中流路層、ケース出口側流路層の順番で流路層幅が狭くなるように、仕切板３１３−１，３１３−２が配置されている。

入口３１１からケース３１に流れ込んだ冷却水は、ケース入口側流路層→ケース真中流路層→ケース出口側流路層の順番で流れるにしたがって温度が高くなっていきく、ヒータ表面での局所沸騰が生じやすくなってしまう。

本実施形態では、ケース入口側流路層、ケース真中流路層、ケース出口側流路層の順番で流路層幅が狭くなるように構成されているので、冷却水は、ケース入口側流路層→ケース真中流路層→ケース出口側流路層の順番で流れるにしたがって流速が増していき、ヒータ表面での局所沸騰を確実に防止できるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、ヒータの形状はあくまでも一例に過ぎず、ケース内を少なくとも一往復する形状であればよい。たとえば、上記実施形態では先端が円弧状であったがＶ字状であってもよい。また２往復するＷ字形であってもよい。

また上記実施形態においては、ケース内部を２枚の仕切板で仕切り、３つのヒータを配置する構造を例示して説明したが、これらの数は任意である。ケース内部を１枚の仕切板で仕切り、２つのヒータを配置しても、ケース内部を３枚以上の仕切板で仕切るようにしてもよい。

一実施形態による流体加熱装置を使用する基本的な燃料電池システムについて説明する図である。 一実施形態による流体加熱装置の外観を示す図である。 一実施形態による流体加熱装置の構造を示す断面図である。 流路分割体の固定方法を説明する図である。 冷却水がケース入口側流路層を流れている状態を示す図である。 冷却水がケース真中流路層を流れている状態を示す図である。 冷却水がケース出口側流路層を流れている状態を示す図である。 一実施形態による流体加熱装置による効果を説明する図である。 本発明による流体加熱装置の第２実施形態の構造を示す断面図である。 本発明による流体加熱装置の第３実施形態の構造を示す断面図である。 本発明による流体加熱装置の第４実施形態の構造を示す断面図である。 本発明による流体加熱装置の第５実施形態の構造を示す断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池スタック
３０ 流体加熱装置
３１ ケース
３１１ ケース入口
３１２ ケース出口
３１３−１ 入口側仕切板
３１３−２ 出口側仕切板
３１３ａ 連通孔
３２−１ 入口側ヒータ
３２−２ 真中ヒータ
３２−３ 出口側ヒータ
３２ａ，３２ｂ ヒータの直線部分(ヒータの隣り合う部分)
３２ｃ ヒータの先端
３３−１ 入口側流路分割体
３３−２ 真中流路分割体
３３−３ 出口側流路分割体
３３ａ，３３ｂ 流路分割体の長辺
３３ｃ，３３ｄ 流路分割体の端部

Claims (7)

1. 入口から出口まで内部を流体が流れるケースと、
   前記ケース内に設けられ、前記入口から前記ケース内へ流入した流体を分流する流路分割体と、
   前記ケース内に設けられ、隣り合って位置する根元部分が直線状で互いに平行し、その隣り合う平行部分の間に前記流路分割体を位置させて、先端が円弧状であって、流路分割体によって分流されて隣り合う平行部分に沿って同方向に流れて前記出口に流れる流体を加熱するＵ字形のヒータと、
   を有する流体加熱装置。
2. 前記流路分割体は、前記ヒータの直線部分に平行な直線状の長辺と、その長辺に連続する円弧状の端部と、を含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の流体加熱装置。
3. 前記ケースの内部に設けられ、そのケース内部を複数の流路層に仕切る少なくも１枚の仕切板を有し、
   前記ヒータは複数であって前記複数の流路層ごとに設けられる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体加熱装置。
4. 前記仕切板は、ケース出口側の流路層ほど流路層幅が狭くなるようにケース内部に設けられる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の流体加熱装置。
5. 前記仕切板は、流路層間での流体の移動を可能にする連通孔を有し、
   前記ケース入口は、前記複数の流路層のうちのひとつに連続し、
   前記ケース出口は、前記複数の流路層のうちの別のひとつに連続し、
   ケース入口、連通孔、ケース出口は、各流路層に設けられたヒータの長手方向反対側に互いに位置するように配置される、
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の流体加熱装置。
6. 前記仕切板は、２枚であってケース内部を３つの流路層に仕切り、
   ケース入口側流路層を形成する仕切板には、ケース入口に対して、ケース入口側流路層のヒータの長手方向反対側に位置する連通孔が形成され、
   ケース出口側流路層を形成する仕切板には、前記ケース入口側仕切板の連通孔に対して、ケース真中流路層のヒータの長手方向反対側に位置する連通孔が形成され、
   前記ケース出口は、前記ケース出口側仕切板の連通孔に対して、ケース出口側流路層のヒータの長手方向反対側に位置する、
   ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の流体加熱装置。
7. 前記ケースは、直方体状である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の流体加熱装置。