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JP2002267391A - 熱交換器 - Google Patents

熱交換器

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JP2002267391A
JP2002267391A JP2001060089A JP2001060089A JP2002267391A JP 2002267391 A JP2002267391 A JP 2002267391A JP 2001060089 A JP2001060089 A JP 2001060089A JP 2001060089 A JP2001060089 A JP 2001060089A JP 2002267391 A JP2002267391 A JP 2002267391A
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supply system
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隆治 後藤
Hiroyuki Yoshida
宏行 吉田
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Nissan Motor Co Ltd
Marelli Corp
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Nissan Motor Co Ltd
Calsonic Kansei Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アルコールと水など多種類の流体を熱交換す
る熱交換器において、スペース効率、コストおよび応答
性を改善する。 【解決手段】 アルコールを供給する第１のヘッダ部１
と水を供給する第２のヘッダ部７とをそれぞれに共通の
熱交換部６に取り付け、アルコールと水とを別個の通路
６ａに供給して高温ガスとの熱交換を行わせる。これに
より、熱交換器の小型化・低コスト化を図りつつ、アル
コールと水の供給比率にかかわらず効率よく燃料蒸気を
発生させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【０００８】第５の発明は、前記第１の発明のヘッダ部
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すると共に、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。
【０００９】第６の発明は、前記第５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７の発明は、前記第５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】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。
【００１３】第５の発明によれば、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。この第５の発明において、ヘッダ部は第６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７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。
【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１
ａ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３
ａ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Ｓ
ａ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３
ａ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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 宏行 東京都中野区南台５丁目24番15号 カルソ ニックカンセイ株式会社内 Ｆターム(参考） 3L065 DA17 4G040 EA02 EA06 EB03 EB46 4G140 EA02 EA06 EB03 EB46 5H027 AA02 BA01

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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た
    熱交換器。
  2. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項５】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請求項１に記載の熱交換器。
  6. 【請求項６】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５に記載の熱交換器。
  7. 【請求項７】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５に記載の熱交換器。
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