本発明は、熱交換器に関する。

特許文献1に開示の燃料電池システムは、圧縮空気と水素ガスとの化学反応によって発電する燃料電池を備える。また、燃料電池システムは、大気中の空気を吸入し、圧縮した空気(圧縮空気)を燃料電池に供給する圧縮機と、水素ガスを燃料電池に供給する水素タンクとを備える。燃料電池システムでは、燃料電池の発電により生じた生成水、及び発電に使用されなかった空気は、オフガスとして燃料電池外に排出される。オフガスにおいて、生成水は液滴として含まれている。

特開2009−283413号公報

ところで、燃料電池システムには、熱交換器を備えるものがある。熱交換器は、第1流体と、第1流体よりも低温で、かつ液滴を含む第2流体との熱交換を行う。燃料電池システムにおいて、第1流体は、圧力の上昇に伴って温度が上昇した圧縮空気に対応し、第2流体は、オフガスに対応する。このような熱交換器では、第2流体の液滴が気化する際の潜熱によって第1流体を冷却する。よって、第2流体の液滴を効率良く利用できれば、潜熱による冷却効率が上がる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱交換が行われる第1流体及び第2流体のうち、第2流体の液滴を効率良く利用できる熱交換器を提供することにある。

上記問題点を解決するための熱交換器は、第1流体と、前記第1流体よりも低温で、かつ液滴を含む第2流体との熱交換を行う熱交換器であって、前記第1流体が流れる第1流路と、前記第2流体が流れるとともに前記第1流路に沿って延びる第2流路と、を備え、前記第1流体が前記第1流路を流れる方向は、前記第2流体が前記第2流路を流れる方向と反対方向であり、前記第2流路の下流側には、前記第2流体が流れる方向と交差する規制面を有する壁部が設けられていることを要旨とする。

これによれば、第1流路の上流側、すなわち第2流路の下流側では、第2流体に含まれる液滴が気化する際の潜熱によって第1流体が冷却される。一方、第1流路の下流側、すなわち第1流路の上流側では、第2流体の顕熱によって第1流体が冷却される。液滴は、第2流路の下流側において壁部の規制面に衝突する。このため、第2流路の下流側に壁部が設けられていない場合と比較して、液滴は第2流路を通過し難くなる。よって、気化することなく第2流路を通過してしまう液滴が少なくなり、第2流体の液滴を効率良く利用できる。

上記熱交換器について、前記壁部は、複数設けられるとともに互い違いに配置されているのが好ましい。 これによれば、第2流体の液滴は、壁部の規制面に、より衝突しやすくなることで、第2流路をより通過し難くなる。よって、第2流体の液滴をより効率良く利用できる。

上記熱交換器について、前記規制面は、前記第2流体が流れる方向と直交しているのが好ましい。 これによれば、規制面が第2流体が流れる方向に対して傾斜している場合と比較して、第2流体の液滴は規制面に保持されやすい。よって、第2流体の液滴をより効率良く利用できる。

上記熱交換器について、前記壁部は、前記第2流路の上流側から下流側に向けて凹む椀状であるのが好ましい。 これによれば、第2流体の液滴は、凹んだ部分に保持されやすい。よって、第2流体の液滴をより効率良く利用できる。

本発明によれば、熱交換が行われる第1流体及び第2流体のうち、第2流体の液滴を効率良く利用できる。

燃料電池車両の概略構成図。

実施形態の熱交換器の斜視図。

(a)は図2における3a−3a線断面図、(b)は(a)における3b−3b線断面図。

オフガス流路の平面図。

圧縮空気及びオフガスの温度変化を示すグラフ。

壁部の別例を示す平面図。

壁部の別例を示す平面図。

壁部の別例を示す平面図。

壁部の別例を示す断面図。

壁部の別例を示す断面図。

以下、熱交換器を具体化した実施形態を図1〜図5にしたがって説明する。 図1に示すように、燃料電池車両FCVは、燃料電池システム10と、水素ガスが貯蔵された水素タンク12とを備える。燃料電池システム10は、燃料電池スタック11(図中、FCスタック)と、大気中の空気を吸入して、圧縮した空気(第1流体としての圧縮空気)を吐出する圧縮機13と、圧縮機13から吐出された圧縮空気を冷却するための熱交換器20と、温度センサ14とを備える。

燃料電池スタック11は、積層された複数の燃料電池(セル)をスタック化したものである。本実施形態の燃料電池は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック11は、水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって発電を行う。また、発電に際して、燃料電池スタック11では、生成水が生じる。この生成水は、発電に使用されなかった空気とともに第2流体としてのオフガスとして燃料電池スタック11外に排出される。オフガスにおいて、生成水は液滴として含まれている。

本実施形態の圧縮機(コンプレッサ)13は、遠心圧縮機である。圧縮機13から吐出された圧縮空気は、熱交換器20を介して燃料電池スタック11に供給される。水素タンク12は、例えば、所定の温度及び所定の圧力で水素ガスを放出する水素吸蔵合金を用いて水素ガスを貯蔵している。水素タンク12からは、燃料電池スタック11に水素ガスが供給される。温度センサ14は、熱交換器20によって冷却された後の圧縮空気の温度を検出し、検出結果を制御装置16に出力する。

燃料電池車両FCVは、燃料電池スタック11を電力源として駆動する走行用モータ15と、制御装置16と、アクセルセンサ17とを備える。アクセルセンサ17は、運転者に操作されるアクセルペダルの操作量、すなわちアクセル開度を検出して、検出結果を制御装置16に出力する。制御装置16は、アクセル開度に応じて、圧縮機13(詳細には、圧縮機13のモータ)を制御することで、圧縮空気の吐出量を調整する。また、制御装置16は、温度センサ14によって検出された圧縮空気の温度に応じて圧縮機13の出力を制限する。これにより、燃料電池スタック11に供給される圧縮空気の温度が過度に上昇することを抑制している。なお、燃料電池車両FCVに用いられる圧縮機13から吐出される圧縮空気の温度は、約200度であることが知られている。また、負荷の変動に応じて、圧縮機13のモータのトルクは制御され、これにより圧縮空気の温度は変動する。

走行用モータ15は、図示しない電力変換装置を介して燃料電池スタック11に接続されている。アクセル開度に応じて、電力変換装置が制御されることで、走行用モータ15に供給される電力量は調整される。走行用モータ15の動力は、図示しない動力伝達機構を介して車軸に伝達される。これにより、燃料電池車両FCVは走行する。

次に、熱交換器20について詳述する。 図2に示すように、熱交換器20は、全体として直方体状である。熱交換器20は、積層された金属製のプレート21,22,23を備える。複数のプレート21,22,23が積層される方向を積層方向とする。積層方向において、最外に位置するプレート21,22の一方を第1プレート21、他方を第2プレート22、第1プレート21と第2プレート22との間に配置された3つのプレート23のそれぞれを第3プレート23とする。熱交換器20は、各プレート21,22,23同士の間に区画された流路31,32(図3(a)及び図3(b)参照)を備える。

図3(a)及び図3(b)に示すように、流路31,32は、圧縮空気が流れる第1流路としての空気流路31と、オフガスが流れる第2流路としてのオフガス流路32とを含む。空気流路31とオフガス流路32とは、第1プレート21から第2プレート22に向けて、空気流路31→オフガス流路32の順で交互に積層されている。空気流路31とオフガス流路32とは、第3プレート23を介して隣り合っている。空気流路31に流れる圧縮空気と、オフガス流路32に流れるオフガスとは第3プレート23を介して熱交換を行う。

各第3プレート23は、積層方向に貫通する孔24を4つ備える(図3(a)及び図3(b)では2つずつのみ図示)。各第3プレート23の孔24同士は、積層方向に対向している。熱交換器20は、各流路31,32に2つずつ配置された規制板25を備える。各規制板25は、積層方向に隣り合う孔24同士を連通させる連通孔26を備える。規制板25の連通孔26は、当該規制板25が配置された流路31,32には連通していない。すなわち、規制板25の連通孔26により連通される孔24同士は、当該規制板25が設けられた流路31,32を介することなく、連通することになる。

規制板25により、空気流路31同士は互いに連通しており、オフガス流路32同士は互いに連通している。一方で、空気流路31とオフガス流路32とは分離され、互いに非連通となっている。孔24と連通孔26によって区画された空間によって、各空気流路31に圧縮空気が分配され、各オフガス流路32にオフガスが分配されることになる。

図2に示すように、第1プレート21は、長方形状の区画部27と、圧縮空気を熱交換器20内に導入する空気導入部41と、熱交換器20内から圧縮空気を排出する空気排出部42と、オフガスを熱交換器20内に導入するオフガス導入部43と、熱交換器20内からオフガスを排出するオフガス排出部44とを備える。空気導入部41及び空気排出部42は、空気流路31に接続されている。オフガス導入部43及びオフガス排出部44は、オフガス流路32に接続されている。

空気導入部41と空気排出部42とは区画部27の対角位置に配置されている。オフガス導入部43とオフガス排出部44とは、区画部27の対角位置に配置されている。空気導入部41とオフガス排出部44とは区画部27の短手方向に隣り合っている。オフガス導入部43と空気排出部42とは区画部27の短手方向に隣り合っている。

空気導入部41には、圧縮機13が接続されている。空気排出部42には、燃料電池スタック11が接続されている。オフガス導入部43には、燃料電池スタック11が接続されている。オフガス排出部44には、車外に繋がる流路が接続されている。

圧縮機13から吐出された圧縮空気は、空気導入部41から各空気流路31に供給され、空気排出部42から排出される。各空気流路31を流れる圧縮空気は、矢印Y1に示すように、空気導入部41から空気排出部42に向けて熱交換器20(区画部27)の長手方向に流れる。よって、空気流路31における空気導入部41側は、圧縮空気の流れの上流側であり、空気流路31における空気排出部42側は、圧縮空気の流れの下流側である。

燃料電池スタック11から排出されたオフガスは、オフガス導入部43から各オフガス流路32に供給され、オフガス排出部44から排出される。各オフガス流路32を流れるオフガスは、矢印Y2に示すように、オフガス導入部43からオフガス排出部44に向けて熱交換器20(区画部27)の長手方向に流れる。よって、オフガス流路32におけるオフガス導入部43側は、オフガスの流れの上流側であり、オフガス流路32におけるオフガス排出部44側は、オフガスの流れの下流側である。

つまり、空気流路31において圧縮空気の流れる方向(矢印Y1)と、オフガス流路32においてオフガスの流れる方向(矢印Y2)とは反対方向となる。本実施形態の熱交換器20は、対向流式の熱交換器である。

図3(b)に示すように、熱交換器20は、空気流路31に配置された第1フィン51を備える。第1フィン51としては、コルゲートフィンやストレートフィンが用いられる。第1フィン51は、金属板をつづら折りしたものである。第1フィン51は、熱交換器20(区画部27)の短手方向で交互に配置された山部51a及び谷部51bを有する。各山部51a及び各谷部51bは、熱交換器20の長手方向に延びている。よって、空気流路31は、第1フィン51によって熱交換器20の長手方向に沿って仕切られている。第1フィン51は、空気流路31の上流側から下流側にかけて配置されている。すなわち、第1フィン51は、空気流路31全体に配置されている。

図3(a)及び図3(b)に示すように、熱交換器20は、オフガス流路32に配置された第2フィン52を備える。第2フィン52としては、コルゲートフィンやストレートフィンが用いられる。第2フィン52は、金属板をつづら折りしたものである。第2フィン52は、熱交換器20の短手方向で交互に配置された山部52a及び谷部52bを有する。各山部52a及び各谷部52bは、熱交換器20の長手方向に延びている。よって、オフガス流路32は、第2フィン52によって熱交換器20の長手方向に沿って仕切られている。

図3(a)、図3(b)、及び図4に示すように、熱交換器20は、オフガス流路32に配置された複数の壁部53を備える。複数の壁部53は、熱交換器20の短手方向に間隔を空けた状態で一直線上に並んで配置されている。また、熱交換器20の短手方向に並ぶ複数の壁部53は、熱交換器20の長手方向に複数列設けられている。熱交換器20の短手方向に並ぶ複数の壁部53は、熱交換器20の長手方向から見たとき、隣り合う列の複数の壁部53と重ならないような位置に配置されている。すなわち、複数の壁部53は、積層方向から見たとき、互い違いに配置されている。よって、壁部53同士の間には、オフガスが通過可能な通路が形成されている。

本実施形態の各壁部53は、熱交換器20の短手方向に沿って直線状に延びる平板である。よって、各壁部53は、オフガス流路32においてオフガスの流れる方向(矢印Y2)と直交する規制面53aを有する。積層方向において、各壁部53の一端部は、プレート23におけるオフガス流路32に露出する面に接続され、各壁部53の他端部は、プレート22,23におけるオフガス流路32に露出する面に接続されている。

複数の壁部53は、オフガス流路32における下流側に配置され、第2フィン52は、オフガス流路32における複数の壁部53よりも上流側に配置されている。オフガス流路32において、第2フィン52が配置される部分を第1オフガス流路32aとし、複数の壁部53が配置される部分を第2オフガス流路32bとする。空気流路31において、第1オフガス流路32aと積層方向に重なる部分を第2空気流路31bとし、第2オフガス流路32bと積層方向に重なる部分を第1空気流路31aとする。

図3(a)に示すように、空気流路31の上流側、すなわちオフガス流路32の下流側では、第1空気流路31aと第2オフガス流路32bによって第1冷却領域A1が構成されている。空気流路31の下流側、すなわちオフガス流路32の上流側では、第2空気流路31bと第1オフガス流路32aによって第2冷却領域A2が構成されている。本実施形態では、第1冷却領域A1は、熱交換器20の長手方向の約3分の1の領域であり、第2冷却領域A2は、熱交換器20の長手方向の約3分の2の領域である。圧縮空気は、第1冷却領域A1の第1空気流路31aを流れた後、第2冷却領域A2の第2空気流路31bを流れる。オフガスは、第2冷却領域A2の第1オフガス流路32aを流れた後、第1冷却領域A1の第2オフガス流路32bを流れる。

本実施形態の熱交換器20における圧縮空気及びオフガスの流れ及び温度変化について、比較例と対比しつつ説明する。 圧縮空気は、圧縮機13から熱交換器20を介して燃料電池スタック11に供給される。また、オフガスは、燃料電池スタック11から熱交換器20を介して車外に繋がる流路に排出される。圧縮空気は、空気導入部41から熱交換器20の各空気流路31に導入される。オフガスは、オフガス導入部43から熱交換器20の各オフガス流路32に導入される。第1冷却領域A1において、第1空気流路31aを流れる圧縮空気は、第2オフガス流路32bを流れるオフガスに含まれる液滴(生成水)が気化する際の潜熱によって冷却される。さらに、第2冷却領域A2において、第2空気流路31bを流れる圧縮空気は、第1オフガス流路32aを流れるオフガスの顕熱によって冷却される。

図5のグラフは、圧縮空気及びオフガスの温度変化を示すグラフである。縦軸は、圧縮空気及びオフガスの温度であり、横軸は、熱交換器20の長手方向における圧縮空気及びオフガスの位置である。空気流路31において圧縮空気の流れる方向(矢印Y1)は、グラフの左側から右側に向かう方向に対応し、オフガス流路32においてオフガスの流れる方向(矢印Y2)は、グラフの右側から左側に向かう方向に対応する。

また、図5のグラフにおいて、本実施形態の熱交換器20を用いた場合の圧縮空気及びオフガスの温度変化を実線で示し、比較例の熱交換器を用いた場合の圧縮空気及びオフガスの温度変化を破線で示している。本実施形態の熱交換器20と比較例の熱交換器との違いは、壁部53の有無である。本実施形態の熱交換器20では、第2オフガス流路32bに複数の壁部53が配置されているのに対し、比較例の熱交換器では、オフガス流路32に壁部53が配置されていない。

本実施形態の熱交換器20では、第1冷却領域A1におけるグラフの傾きは、第2冷却領域A2におけるグラフの傾きよりも大きい。すなわち、第1冷却領域A1における圧縮空気及びオフガスの温度の変化量は、第2冷却領域A2における圧縮空気及びオフガスの温度の変化量よりも大きい。一方、比較例の熱交換器では、第1冷却領域A1におけるグラフの傾きは、第2冷却領域A2におけるグラフの傾きと同じである。すなわち、第1冷却領域A1における圧縮空気及びオフガスの温度変化量は、第2冷却領域A2における圧縮空気及びオフガスの温度変化量と同じである。また、本実施形態における第1冷却領域A1での圧縮空気及びオフガスの温度変化量は、比較例における第1冷却領域A1での圧縮空気及びオフガスの温度変化量よりも大きい。よって、本実施形態の第1冷却領域A1の冷却効率は、比較例の第1冷却領域A1の冷却効率よりも高いことが分かる。

本実施形態の作用について説明する。 本実施形態の第1冷却領域A1の第2オフガス流路32bは、オフガス流路32におけるオフガスの流れ(矢印Y2)と直交する規制面53aを有する複数の壁部53を備える。オフガスに含まれる液滴は、第2オフガス流路32bにおいて壁部53の規制面53aに衝突する。このため、比較例のように第2オフガス流路32bに壁部53が設けられていない場合と比較して、液滴は第2オフガス流路32bを通過し難くなる。よって、気化することなく第2オフガス流路32bを通過してしまう液滴が少なくなり、オフガスの液滴を効率良く利用できる。その結果、本実施形態の第1冷却領域A1の冷却効率は、比較例の第1冷却領域A1の冷却効率よりも高くなる。

本実施形態の効果について説明する。 (1)第1冷却領域A1の第2オフガス流路32bには、複数の壁部53が設けられている。オフガスに含まれる液滴は、第2オフガス流路32bにおいて壁部53の規制面53aに衝突する。このため、第2オフガス流路32bに壁部53が設けられていない場合と比較して、液滴は第2オフガス流路32bを通過し難くなる。よって、気化することなくオフガス流路32を通過してしまう液滴が少なくなり、オフガスの液滴を効率良く利用できる。

(2)複数の壁部53は互い違いに配置されている。このため、オフガスに含まれる液滴は、壁部53の規制面53aに、より衝突しやすくなり、第2オフガス流路32bをより通過し難くなる。よって、オフガスの液滴をより効率良く利用できる。

(3)壁部53の規制面53aは、オフガスが流れる方向と直交している。このため、壁部53の規制面53aがオフガスの流れる方向に対して傾斜する場合と比較して、オフガスの液滴は規制面53aに保持されやすい。よって、オフガスの液滴をより効率良く利用できる。

本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。 ○ 熱交換器20は、燃料電池システム10に用いられる熱交換器に限定されず、他の用途に用いられてもよい。

○ 第1流体は、圧縮空気に限定されない。第1流体は、他の気体または液体でもよい。 ○ 第2流体は、オフガスに限定されない。また、第2流体に含まれる液滴は、生成水に限定されない。第2流体は、第1流体よりも低温であれば、他の液体又は他の液滴を含む気体でもよい。

○ 第3プレート23の数、すなわち空気流路31及びオフガス流路32の数は適宜変更してもよい。 ○ 熱交換器20の短手方向に並ぶ複数の壁部53から構成される列の数は、1列以上であれば、適宜変更してよい。

○ 第2オフガス流路32bにおいて、壁部53よりも下流側に第2フィン52を配置してもよい。 ○ 壁部53の形状は、適宜変更してもよい。以下、図6〜図10を用いて壁部53の形状の例を挙げる。

図6に示すように、各壁部53の規制面53aは、オフガスが流れる方向と交差していれば、直交していなくてもよい。 図7に示すように、各壁部53は、熱交換器20の短手方向に延びる平板部531と、平板部531からオフガスが流れる方向とは反対方向、すなわち圧縮空気が流れる方向に突出する複数の突出部532とを備える構成であってもよい。これによれば、オフガスの液滴は、平板部531と突出部532とによって囲まれた部分に保持されやすい。よって、オフガスの液滴をより効率良く利用できる。

図8に示すように、各壁部53は、オフガス流路32の上流側から下流側に向けて凹む椀状でもよい。これによれば、オフガスの液滴は、凹んだ部分に保持されやすい。よって、オフガスの液滴をより効率良く利用できる。

図9及び図10に示すように、壁部53の形状は、列ごとに異なっていてもよい。 図9に示すように、オフガス流路32の上流側(図9の右側)に配置される壁部53は、積層方向の一端部がプレート23におけるオフガス流路32に露出する面から離間し、積層方向の他端部がプレート22,23におけるオフガス流路32に露出する面に接続されていてもよい。オフガス流路32の下流側(図9の左側)に配置される壁部53は、上記実施形態と同様、積層方向の一端部がプレート23におけるオフガス流路32に露出する面に接続され、積層方向の他端部がプレート22,23におけるオフガス流路32に露出する面に接続されていてもよい。

図10に示すように、オフガス流路32の上流側(図10の右側)に配置される壁部53は、積層方向の一端部がプレート23におけるオフガス流路32に露出する面から離間し、積層方向の他端部がプレート22,23におけるオフガス流路32に露出する面に接続されていてもよい。オフガス流路32の下流側(図10の左側)に配置される壁部53は、積層方向の一端部がプレート23におけるオフガス流路32に露出する面に接続され、積層方向の他端部がプレート22,23におけるオフガス流路32に露出する面から離間していてもよい。この場合、壁部53は、熱交換器20の短手方向全体に亘って連続していてもよい。

○ 第1冷却領域A1と第2冷却領域A2との境界となる位置は、壁部53の形状やオフガスの圧力損失等に基づいて適宜変更してよい。

20…熱交換器、31…第1流路としての空気流路、32…第2流路としてのオフガス流路、53…壁部、53a…規制面。