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JP3675725B2 - 熱交換器 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの蒸発器などに適用可能な熱交換器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
燃料電池には、燃料電池スタックに供給する水素ガスを生成するために、アルコールと水とを蒸発器により気化して改質器に供給する改質燃料型のシステムがある。このようにアルコールと水とを気化するにあたり、それぞれを別個の蒸発器にて蒸発させる構成とすると蒸発器が２台必要になることからコストが増したり、特に燃料電池自動車のような移動体システムにおいては配管スペースなどレイアウトの面で問題が生じる。これに対して、例えば特開平9-79694号公報に開示されたもののように、蒸発器の入口部でアルコールと水とを別々に噴射供給し、これらを混合したうえで熱交換部に供給するようにしたものがある。しかしながら、このように予め混合した燃料を熱交換部に供給する構成によると、アルコールと水との比率を変化させたときに、それ以前に熱交換部に残留していた分が蒸発を終えるまでは比率が変化しないため応答性が悪いという問題がある。
【０００３】
本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、アルコールと水など多種類の流体を熱交換する熱交換器であって、スペース効率がよく、低コストで応答性のよい熱交換器を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、流体が通過する通路部を多数形成した熱交換部に前記通路部に液状流体を分散供給するヘッダ部を設けた熱交換器において、前記ヘッダ部および通路部を、共通の熱交換部内にて互いに独立して流体を流通させる複数の系統から構成し、前記ヘッダ部を、該ヘッダ部の側面に設けた入口部から流入する液状流体を前記通路部に通過させる開口部を多数設けた下プレートと、この下プレートとの間に分散空間部を形成する上プレートとで形成し、前記分散空間部には、前記入口部から流入する液状流体の流れを横断する方向に分配空間を形成し、この分配空間から前記入口部に対向して延びる複数の流体通路を形成する通路壁部を設けた。
【０００５】
第２の発明は、前記第１の発明のヘッダ部および通路部を、水供給系統とアルコール供給系統の２系統から構成した。
【０００６】
第３の発明は、前記第２の発明の水供給系統の通路部を、アルコール供給系統の通路部に比較して受熱量が大となるように通路形状を設定したものとした。
【０００７】
第４の発明は、前記第２の発明において、その水供給系統の通路部は熱交換部の比較的高温域に、アルコール供給系統の通路部は熱交換部の比較的低温域にそれぞれ設けた。
【０００９】
第５の発明は、前記第１の発明のヘッダ部を、共通する熱交換部の上に複数個を設けた。
【００１０】
第６の発明は、前記第１の発明のヘッダ部を、複数の入口部と、該入口部に対応して画成した複数の分散空間部とから構成した。
【００１１】
【作用・効果】
熱交換器のヘッダ部と通路部とを共通の熱交換部にて互いに独立して流体を通過させる複数の系統から構成したので、異なる種類の流体を熱交換させる熱交換器として小型化と低コスト化を図ることができる。また、異なる種類の流体を別個に熱交換させる構成であるので、それぞれの比率に影響を受けることなく速やかに熱交換を行わせることができる。
【００１２】
特に本発明によれば、ヘッダ部の入口部から分散空間部に流入した液状流体は通路壁部により分岐状に画成された流体通路に分流して各流体通路に面した開口部から下方の熱交換部の通路部へと流入する。このとき、流体は分散空間部内を通路壁部により画成された限られた容積の通路部を経由して熱交換部へと流れ込む。ヘッダ部内の流体が通過する部分の容積は通路壁部により必要最小限となっているため、ヘッダ部に供給された液状流体は速やかに熱交換部へと到達する。これにより、本発明による熱交換器を燃料電池の蒸発器として適用した場合には、水またはアルコール等の供給から蒸発燃料が得られるまでの応答時間をより短縮することができる。また、改質器停止時においても、ヘッダ部内に留まっている燃料や水の量を抑えることができるので、燃料供給停止から改質器停止までの時間を短くすることができる。この発明において、ヘッダ部は第５の発明として示したように、共通する熱交換部の上に複数個を設けた構成、または第６の発明として示したようにヘッダ部を複数の入口部と、該入口部に対応して画成した複数の分散空間部とから構成することができる。
【００１３】
また、例えば第２の発明として示したようにヘッダ部と通路部とを、水供給系統とアルコール供給系統の２系統から構成した場合、水とアルコールの混合比率がそれぞれの系統に速やかに反映されるので、本発明を応答性のよい蒸発器として適用することができる。この場合、第３の発明のように水供給系統の通路部をアルコール供給系統の通路部に比較して受熱量が大となるように通路形状（通路断面形状、受熱フィン形状、受熱フィン表面積など）を設定し、あるいは第４の発明のように水供給系統の通路部は熱交換部の比較的高温域に、アルコール供給系統の通路部は熱交換部の比較的低温域にそれぞれ設けた構成とすることにより、比較的沸点の高い水を高温域にて効率よく蒸発させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を燃料電池システムの蒸発器として構成した実施形態につき図面に基づいて説明する。図１または図２において、１は蒸発器の第１のヘッダ部であり、上プレート１ａ、下プレート１ｂ、櫛型部材２、燃料供給部材３からなる。また、７は第２のヘッダ部であり、上プレート７ａ、下プレート７ｂ、櫛形部材８、燃料供給部材９からなる。６はその上面に前記ヘッダ部１と７が取り付けられる熱交換部である。
【００１５】
熱交換部６は、水またはアルコール（メタノール）を下方に通過させる通路部６ａを多数開口させた低温流体用層状部６ｂと、前記水またはアルコールを加熱するための高温ガスを側方から通過させる高温流体用層状部６ｃとを積層して構成されている。この熱交換部６の上面に、前記高温ガス流の下流側で比較的低温となる領域に第１のヘッダ部１が、上流側で比較的高温となる領域に第２のヘッダ部７が、それぞれ取り付けられる。
【００１６】
第１のヘッダ部１を構成する上プレート１ａと下プレート１ｂは上下方向に結合され、その一辺に燃料供給部材３が取り付けられる。また、同様にして第２のヘッダ部７を構成する上プレート７ａと下プレート７ｂは上下方向に結合され、その一辺に燃料供給部材９が取り付けられる。これらは溶接またはろう付けにより結合され、それぞれ内部に薄い偏平状の分散空間部Ｓａを画成する。燃料供給部材３に設けられた燃料入口部３ａはヘッダ部１の分散空間部Ｓａに臨んで開口し、図示しないアルコール供給系統から圧送されてくるアルコールをヘッダ部１内に導入する。また、燃料供給部材９に設けられた燃料入口部９ａはヘッダ部９の分散空間部Ｓａに臨んで開口し、図示しない水供給系統から圧送されてくる水をヘッダ部９内に導入する。
【００１７】
ヘッダ部１の櫛形部材２は、前記入口部３ａに対向して位置する辺部２ａから該入口部３ａに向かって延びる腕部２ｂを該辺部２ａに沿って多数配設した形状をしており、上プレート１ａと下プレート１ｂとの間の挟持される態様で分散空間部Ｓａに収装されている。櫛形部材２は、図２にも示したようにヘッダ部１内の分散空間部Ｓａ内を前記腕部２ｂにより画成して複数の分岐した流体通路５を形成している。また、櫛形部材２と燃料供給部材３の間には、アルコール燃料を流体通路５に均一に分配するための分配空間Ｓｂが設けられている。ヘッダ部１のデッドボリュームを最小限とするために、分散空間部Ｓａまたは櫛形部材２の厚みはたとえば１ｍｍ程度に小さく抑えられ、また腕部２ｂの幅はできるだけ大きくして燃料通路５の幅も最小限とされている。第２のヘッダ部７についても、櫛形部材８により前記と同様にその分配通路部Ｓａ内にて最小の容積で効率よく水を分散させるように構成されている。
【００１８】
各ヘッダ部１，７の下プレート１ｂ、７ｂには、前記分岐状の各流体通路５に臨むように多数の小穴状の開口部４が形成されている。これらの開口部４の通路部横断方向の開口間隔（ピッチ）は、ヘッダ部１または７を取り付けた状態で、前述した熱交換部６の通路部６ａに連通するように、通路部６ａ相互の間隔と同一に設定されている。
【００１９】
前記構成において、第１のヘッダ部１の燃料入口部３ａから噴射供給されたアルコールは分配空間Ｓｂ、分散空間部Ｓａないしは流体通路５内を満たしたのち、下プレート１ｂに設けられた開口部４により熱交換部６の通路部６ａへと均等に供給される。このとき、櫛形部材２によって分散空間部Ｓａ内の余剰容積が削減されているので燃料供給開始から熱交換部流入までの時間が大幅に短縮される。第２のヘッダ部７に噴射供給された水についても前記と同様にして速やかに熱交換部６の通路部６ａに供給される。このとき、沸点の低いアルコールは熱交換部６の比較的低温の領域にて、沸点の高い水は比較的高温の領域にて、それぞれの通路部６ａへと個別に流れ込むので、それぞれの比率に係わらず効率よく燃料蒸気を発生させることができる。発生した燃料蒸気は図示しない出口部から改質器へと向けて供給される。
【００２０】
図３に本発明の第２の実施形態を示す。これは基本的な構成は前記第１の実施形態と同一であるが、ただしこの実施形態ではヘッダ部１を単一構成とし、その内部の分散空間部Ｓａを水用とアルコール用の２系統に画成している。すなわち、図示したように燃料供給部３には中央の水用の入口部１０とその両側の２個のアルコール用の入口部１１が設けられると共に、これらに対応するように燃料分散部Ｓａが中央の水用の分散部Ｓａ１とその両側のアルコール用の分散部Ｓａ２とに画成されている。前記分散部Ｓａ１とＳａ２とは、櫛形部材２の中間部分の２個の腕部２ｂを燃料供給部材３に向けて延長して分配空間Ｓｂを横断方向に３分割することにより画成されている。
【００２１】
この実施形態においても、水とアルコールとはそれぞれの入口部１０、１１から流入したのち、個々の分散空間部Ｓａ１、Ｓａ２および通路部６ａを経て高温ガスとの熱交換を行う。また、水は熱交換部６の比較的高温となる中央域にて熱交換が行われる。したがって第１の実施形態と同様に効率よく燃料蒸気を発生させることができる。また、この実施形態はヘッダ部１が単一構成であるので、構造が簡略でありより低コストなものとすることができる。
【００２２】
なお、前記各実施形態は流体として水またはアルコールを熱交換器の上方から供給するようにした例を示したものであるが、これに限られず下方の一方向から燃料供給を行うようにした構成においても本発明は有効である。また、ヘッダ部の構成についても実施形態の構成に限られるものではなく、例えば上プレートまたは下プレートにビードプレス加工により波形形状を与え、この波形形状により複数の流体通路を画成する構成とすることもでき、これによればより低コスト化を図れるとともにヘッダ部ないしは熱交換器の剛性を高めることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による蒸発器の第１の実施形態の組み立て図。
【図２】第１の実施形態のヘッダ部の縦断面図。
【図３】本発明による蒸発器の第２の実施形態の組み立て図。
【符号の説明】
１、７ 蒸発器のヘッダ部
１ａ、７ａ 上プレート
１ｂ、７ｂ 下プレート
２、８ 櫛形部材
２ａ 辺部
２ｂ 腕部
３、９ 燃料供給部材
３ａ，９ａ 燃料入口部
４ 開口部
５ 流体通路
６ 熱交換部
６ａ 通路部
６ｂ 低温流体用層状部
６ｃ 高温流体用層状部
Ｓａ 分散空間部
Ｓｂ 分配空間

Claims (6)

  1. 流体が通過する通路部を多数形成した熱交換部に前記通路部に液状流体を分散供給するヘッダ部を設けた熱交換器において、
    前記ヘッダ部および通路部を、共通の熱交換部内にて互いに独立して流体を流通させる複数の系統から構成し、
    前記ヘッダ部を、該ヘッダ部の側面に設けた入口部から流入する液状流体を前記通路部に通過させる開口部を多数設けた下プレートと、この下プレートとの間に分散空間部を形成する上プレートとで形成し、
    前記分散空間部には、前記入口部から流入する液状流体の流れを横断する方向に分配空間を形成し、この分配空間から前記入口部に対向して延びる複数の流体通路を形成する通路壁部を設けたことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記ヘッダ部および通路部は、水供給系統とアルコール供給系統の２系統からなる請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記水供給系統の通路部は、アルコール供給系統の通路部に比較して受熱量が大となるように通路形状が設定されている請求項２に記載の熱交換器。
  4. 前記水供給系統の通路部は熱交換部の比較的高温域に、アルコール供給系統の通路部は熱交換部の比較的低温域にそれぞれ設けられている請求項２に記載の熱交換器。
  5. 前記ヘッダ部は、共通する熱交換部の上に複数個が設けられている請求項１に記載の熱交換器。
  6. 前記ヘッダ部は、複数の入口部と、該入口部に対応して画成された複数の分散空間部とから構成されている請求項１に記載の熱交換器。
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