JP2005267976A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はダイレクトメタノール型燃料電池のカソード排気またはアノード回路の燃料を冷却する熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger for cooling fuel in a cathode exhaust or anode circuit of a direct methanol fuel cell.
燃料電池にはリン酸型(PAFC)、溶融炭酸塩型(MCFC)、固体電解質型(SOFC)、固体高分子型(PEFC)などがある。最後の固体高分子(電解質)型燃料電池は水素を燃料とし、パーフルオロスルフォン酸系ポリマーの陽イオン交換膜を用いており、近年広く研究されている。 Fuel cells include phosphoric acid type (PAFC), molten carbonate type (MCFC), solid electrolyte type (SOFC), and solid polymer type (PEFC). The last solid polymer (electrolyte) type fuel cell uses hydrogen as a fuel and uses a perfluorosulfonic acid polymer cation exchange membrane, and has been widely studied in recent years.
しかし固体高分子型燃料電池において燃料として使用する水素は、特別な貯蔵設備を設けるか、またはメタノール等の燃料を水蒸気改質器で改質して得る必要があり、システムが複雑化して小型・軽量化が難しいという問題がある。そこで最近、固体高分子型燃料電池の燃料をメタノールとしたダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)が注目されている。 However, hydrogen used as a fuel in a polymer electrolyte fuel cell must be provided with a special storage facility or obtained by reforming a fuel such as methanol with a steam reformer. There is a problem that weight reduction is difficult. Therefore, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as the fuel of the polymer electrolyte fuel cell has recently attracted attention.
ダイレクトメタノール型燃料電池は触媒を用いて液体のメタノールを水素に変換し、その水素を燃料として発電する方式であるが、そのメタノール改質反応はCH3 OH+H2 O=CO2 +3H2 になる。この式から分かるように、理論的に改質のためにメタノールと等モルの水が必要である。そこでモル比1:1のメタノール水溶液を使用するが、カソード排気に含まれる水分を回収してメタノールに加えるシステムを採用することにより、高濃度のメタノール水溶液を使用できるので、システムの小型化・軽量化を図ることができる。 The direct methanol fuel cell uses a catalyst to convert liquid methanol into hydrogen and generates electricity using the hydrogen as fuel. The methanol reforming reaction is CH 3 OH + H 2 O = CO 2 + 3H 2 . As can be seen from this equation, methanol and equimolar water are theoretically required for reforming. Therefore, an aqueous methanol solution with a molar ratio of 1: 1 is used. By adopting a system that collects the moisture contained in the cathode exhaust and adds it to methanol, a highly concentrated aqueous methanol solution can be used, making the system smaller and lighter. Can be achieved.
図3はダイレクトメタノール型燃料電池のプロセスフロー図である。燃料タンク1のメタノール水溶液は配管2に設けたポンプ3で燃料電池4のアノード側に供給され、アノードから排出する未反応燃料は配管5に設けた熱交換器6で冷却してから燃料タンク1に回収する。なお、未反応燃料は直接燃料タンクに回収される場合もある。この場合には、前記熱交換器6はタンク1の後の鎖線の位置に設置される。
一方、燃料電池4のカソード側にはブロワ7を設けた配管8から空気が供給され、カソードから排出するガス(カソード排ガス)排気は配管9に設けた熱交換器10で冷却されてから水回収タンク11に流入する。なお、水回収タンク11の上部にガスを排出する排気管12が設けられる。
FIG. 3 is a process flow diagram of a direct methanol fuel cell. The methanol aqueous solution in the fuel tank 1 is supplied to the anode side of the fuel cell 4 by the pump 3 provided in the pipe 2, and the unreacted fuel discharged from the anode is cooled by the heat exchanger 6 provided in the pipe 5 and then the fuel tank 1. To recover. Note that unreacted fuel may be directly collected in the fuel tank. In this case, the heat exchanger 6 is installed at the position of the chain line behind the tank 1.
On the other hand, air is supplied to the cathode side of the fuel cell 4 from a pipe 8 provided with a blower 7, and the gas discharged from the cathode (cathode exhaust gas) is cooled by a heat exchanger 10 provided in the pipe 9 and then recovered with water. It flows into the tank 11. An exhaust pipe 12 for discharging gas is provided at the upper part of the water recovery tank 11.
熱交換器10はカソード排気を冷却して含有する水分を凝縮するものであり、水回収タンク11に回収した凝縮水は配管13を経て燃料タンク1に供給される。なお熱交換器6および熱交換器10は水冷式であり、配管14,15で冷却水を循環することにより燃料および排ガスを冷却する。 The heat exchanger 10 cools the cathode exhaust to condense the contained water, and the condensed water recovered in the water recovery tank 11 is supplied to the fuel tank 1 via the pipe 13. The heat exchanger 6 and the heat exchanger 10 are water-cooled, and the fuel and exhaust gas are cooled by circulating cooling water through the pipes 14 and 15.
ダイレクトメタノール型燃料電池のアノード回路の燃料やカソード排気には蟻酸、蟻酸メチル、ホルムアルデヒド等の金属を腐食する成分(副生成物として生成される)が含まれている。従って熱交換器6や熱交換器10がアルミニウム等の金属製であると、アノード回路の燃料やカソード排気と接触する部分がこれら蟻酸等の腐食促進成分により腐食される。そして腐食により分離した金属成分はメタノール水溶液にイオンとして存在し、それがダイレクトメタノール型燃料電池に悪影響を及ぼす。
通常の固体高分子型燃料電池の場合、用いられるアルミニウム製の熱交換器の腐食対策として、液と接触する部分を樹脂コーティングすることが特許文献1に記載されている。
The fuel and cathode exhaust of the anode circuit of a direct methanol fuel cell contain components (generated as by-products) that corrode metals such as formic acid, methyl formate, and formaldehyde. Therefore, when the heat exchanger 6 or the heat exchanger 10 is made of a metal such as aluminum, the portion of the anode circuit that comes into contact with the fuel or the cathode exhaust is corroded by these corrosion promoting components such as formic acid. The metal components separated by corrosion are present as ions in the aqueous methanol solution, which adversely affects the direct methanol fuel cell.
In the case of a normal polymer electrolyte fuel cell, Patent Document 1 describes that a resin contact portion is in contact with a liquid as a countermeasure against corrosion of an aluminum heat exchanger used.
しかし特許文献1にはダイレクトメタノール型燃料電池のカソード排気またはアノード回路の燃料を冷却する熱交換器の腐食対策については一切記載されていない。そこで本発明はこのようなダイレクトメタノール型燃料電池のカソード排気またはアノード回路の燃料を冷却する熱交換器の材料腐食問題を解決することを課題とする。 However, Patent Document 1 does not describe any countermeasure against corrosion of a heat exchanger that cools the fuel in the cathode exhaust or anode circuit of a direct methanol fuel cell. Accordingly, an object of the present invention is to solve the material corrosion problem of the heat exchanger that cools the fuel in the cathode exhaust or anode circuit of such a direct methanol fuel cell.
前記課題を解決する本発明に係る第1の発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池のカソード排気またはアノード回路の燃料を冷却する熱交換器において、前記カソード排気またはアノード回路の燃料と接触する部分が金属基板に樹脂コーティングした材料で形成されていることを特徴とする(請求項1)。 According to a first aspect of the present invention for solving the above-mentioned problems, in a heat exchanger for cooling the fuel in the cathode exhaust or anode circuit of a direct methanol fuel cell, the portion in contact with the fuel in the cathode exhaust or anode circuit is a metal The substrate is made of a resin-coated material (claim 1).
上記熱交換器において、前記金属基板がアルミニウム若しくはその合金、または鉄である場合、前記樹脂はエポキシ樹脂またはエポキシ樹脂とフッ素樹脂の混合物とすることができる(請求項2)。 In the heat exchanger, when the metal substrate is aluminum, an alloy thereof, or iron, the resin may be an epoxy resin or a mixture of an epoxy resin and a fluororesin (Claim 2).
また、前記課題を解決する本発明に係る第2の発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池のカソード排気またはアノード回路の燃料を冷却する熱交換器において、前記熱交換器を構成する全ての部分が樹脂製であることを特徴とする(請求項3)。 Further, a second invention according to the present invention for solving the above-mentioned problems is that in a heat exchanger for cooling the fuel in the cathode exhaust or anode circuit of a direct methanol fuel cell, all the parts constituting the heat exchanger are made of resin. (Claim 3).
さらに、前記課題を解決する本発明に係る第3の発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池のカソード排気またはアノード回路の燃料を冷却する熱交換器において、熱交換器がタンク(又はヘッダ)、コルゲート型のフィンおよび偏平なチューブを有する場合、前記カソード排気またはアノード回路の燃料と接触するタンク(又はヘッダ)およびチューブが樹脂製で、フィンが金属製であることを特徴とする(請求項4)。 Furthermore, a third invention according to the present invention for solving the above-mentioned problems is a heat exchanger for cooling the fuel in the cathode exhaust or anode circuit of a direct methanol fuel cell, wherein the heat exchanger is a tank (or header), a corrugated type In this case, the tank (or header) and the tube that are in contact with the fuel of the cathode exhaust or the anode circuit are made of resin, and the fin is made of metal (Claim 4).
第1の発明に係る熱交換器は、カソード排気またはアノード回路の燃料と接触する部分が金属基板に樹脂コーティングした材料で形成されているので、樹脂層により金属基板の腐食を防止できる。また金属基板がアルミニウム若しくはその合金、または鉄である場合に、前記樹脂をエポキシ樹脂またはエポキシ樹脂とフッ素樹脂の混合物とすることにより、該金属基板の腐食を防止できると共に、強固な樹脂層を形成して熱交換器の寿命を一層延ばすことができる。 In the heat exchanger according to the first aspect, the portion of the cathode exhaust or anode circuit that contacts the fuel is formed of a material obtained by coating the metal substrate with a resin, and therefore the corrosion of the metal substrate can be prevented by the resin layer. When the metal substrate is aluminum, an alloy thereof, or iron, the resin is made of epoxy resin or a mixture of epoxy resin and fluororesin, thereby preventing corrosion of the metal substrate and forming a strong resin layer. Thus, the life of the heat exchanger can be further extended.
第2の発明に係る熱交換器は、熱交換器を構成する全ての部分が樹脂製であるため、金属腐食の問題は起こらない。そして樹脂部分の厚さを出来る限り薄くすることにより、熱交換効率の低下を少なくできる。 In the heat exchanger according to the second invention, since all the parts constituting the heat exchanger are made of resin, the problem of metal corrosion does not occur. And the fall of heat exchange efficiency can be decreased by making the thickness of a resin part as thin as possible.
さらに第3の発明に係る熱交換器は、熱交換器がタンク(又はヘッダ)、コルゲートフィンおよび偏平なチューブを有する場合に、カソード排気またはアノード回路の燃料と接触するタンク(又はヘッダ)、偏平なチューブを樹脂製とし、コルゲート型のフィンを金属製としたので、金属腐食の問題が生じないと共に、熱交換効率を良好に維持することができる。 Furthermore, the heat exchanger according to the third aspect of the present invention provides a tank (or header), flattened contact with the fuel of the cathode exhaust or anode circuit when the heat exchanger has a tank (or header), a corrugated fin and a flat tube. Since the tube is made of resin and the corrugated fin is made of metal, the problem of metal corrosion does not occur and the heat exchange efficiency can be maintained well.
次に図面により本発明を実施するための最良の形態を説明する。図1は第1の発明に係る熱交換器の1例を示す正面図である。熱交換器20は前記の図3に示すダイレクトメタノール型燃料電池のアノード回路の燃料を冷却する熱交換器6またはカソード排気を冷却する熱交換器10として利用できる。
Next, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view showing an example of a heat exchanger according to the first invention. The
本実施形態の熱交換器20は全体がアルミニウム製とされる。すなわち熱交換器20はアルミニウム材よりなる多数の偏平なチューブ21を並列に配置し、各チューブ21の両端に一対のアルミニウム材からなるタンク又はヘッダ22(以下、単にタンク22という。)をロウ付け等により連結し、各チューブ21の間にアルミニウム材からなるコルゲート型のフィン23を同じくロウ付け等により接合して構成される。
The
なお熱交換器20は全体をステンレス製とすることもできる。また、本実施形態ではコルゲートフィン型熱交換器であるが、本発明はプレート型熱交換器または積層型熱交換器にも適用できる。
The
図1に示すタンク22は、チューブ21が貫通するチューブプレート24と、そのチューブプレート24が開口部を閉鎖するタンク本体25を有する。また、タンク本体25の端部にはパイプ26が突設され、このパイプ26に図3に示す配管5または配管9が接続される。さらにチューブ21とフィン23の並列方向の両側にアルミニウム材からなるサポート部材27が取り付けられる。
The
熱交換器20を構成するチューブ21とタンク22の内壁面は前記アノード回路の燃料またはカソード排気に接触する部分であり、その接触面は樹脂になっている。すなわちチューブ21とタンク22を構成するアルミニウム材からなる基板28の内表面を樹脂コーティングすることにより樹脂層29を形成する。図2は、偏平なチューブ21部分の拡大断面図である。
The inner wall surfaces of the
図1に示す熱交換器20を製造するには、先ず、偏平なチューブ21とコルゲート型のフィン23を交互に並列すると共に、それら集合体の並列方向の両側にサポート部材27を配置する。そして各チューブ21の両端をチューブプレート24のチューブ挿通孔に挿入し、次いで各チューブ21の両端を拡開してチューブ21をチューブプレート24の挿通孔に固定する。
To manufacture the
次にチューブプレート24の周縁に形成された環状溝にタンク本体25の開口縁を嵌着する。それと共に、パイプ26をタンク本体25に取り付けて熱交換器20を組み立てる。なお、互いに接触する少なくとも一方の部材表面には、アルミニウム合金からなる公知のロウ材が被覆されたアルミニウム材を使用する。
Next, the opening edge of the
次いで組み立てた熱交換器20を高温の真空炉内に配置し、所定の温度条件で加熱処理して部材表面に被覆したロウ材を溶融させる。次いでそれを冷却固化することにより各部材間が一体的にロウ付けされる。次に各タンク本体25のパイプ26に配管を接続し、加温した純水をタンク22およびチューブ21の内部に循環して内部を洗浄する。
Next, the assembled
次にエポキシ樹脂液を熱交換器20の内部、すなわちチューブ21およびタンク22の内部に流通し、それらの内壁面に所定厚の層を均一に形成する。次に熱交換器20全体を加熱して内壁面(基板28の表面)に硬化した樹脂層29を形成する。形成される樹脂層29の厚みは5〜20μm程度で十分である。なおコーティング用の樹脂はエポキシ樹脂とフッ素樹脂の混合物を使用することもできる。
Next, the epoxy resin liquid is circulated in the
上記の実施形態ではアルミニウム製の熱交換器20の場合について説明したが、第2の発明のように全体が樹脂製の熱交換器20とすることもできる。樹脂製の熱交換器20の場合には、樹脂自体は非腐食性であるので、その内壁面に新たに樹脂コーティングする必要はない。この場合、各部品を別に成形し、それらを接着剤またはレーザ溶接等により接合することができる。また、ヘッダとチューブとを一体成形し、それとは別に成形されたフィンとを前記接合法等で接合する方法、その他が考えられる。
In the above embodiment, the case of the
さらに第3の発明のように、タンク22とチューブ21が樹脂製でフィン23が金属製の熱交換器20とすることもできる。その場合もチューブ21やタンク22の内壁面は樹脂製であるので、新たに樹脂コーティングする必要はない。なお熱交換器20を組み立てる際には、金属製のフィン23とチューブ21を複合成形し、その複合体にタンク22等を接合する方法を採用できる。
Further, as in the third invention, the
さらに、熱交換器20はタンク22を樹脂製とし、チューブ21とフィン23を金属製とすることもできる。その場合にはタンク22を除いた部分を真空ロウ付け、洗浄、樹脂皮膜成形し、その後、チューブプレート24の周縁に設けられた環状溝にシール用のOリングを介して樹脂製のタンク22の開口縁を嵌着し、カシメによりチューブプレート24の周縁とタンク22とを固定する。
Further, in the
本発明の熱交換器はダイレクトメタノール型燃料電池のカソード排気またはアノード回路の燃料の冷却用として利用できる。 The heat exchanger of the present invention can be used for cooling the fuel in the cathode exhaust or anode circuit of a direct methanol fuel cell.
1 燃料タンク
2 配管
3 ポンプ
4 燃料電池
5 配管
6 熱交換器
7 ブロワ
8,9配管
10 熱交換器
11 水回収タンク
12 排気管
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel tank 2 Piping 3 Pump 4 Fuel cell 5 Piping 6 Heat exchanger 7 Blower 8,9 piping 10 Heat exchanger 11 Water recovery tank 12 Exhaust pipe
13,14,15 配管
20 熱交換器
21 チューブ
22 タンク(又はヘッダ)
23 フィン
24 チューブプレート
25 タンク本体
26 パイプ
27 サポート部材
28 基板
29 樹脂層
13, 14, 15
23
Claims (4)
In the heat exchanger for cooling the cathode exhaust of the direct methanol fuel cell or the fuel in the anode circuit, the heat exchanger 20 includes a tank (or header 22), a corrugated fin 23 and a flat tube 21, and the cathode exhaust. Alternatively, the heat exchanger is characterized in that the tank (or header) 22 and the tube 21 that are in contact with the fuel of the anode circuit are made of resin, and the fins 23 are made of metal.
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