JP2015031420A - 水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立し、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減し、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制し、且つ、水素ガスを十分に冷却する。【解決手段】水素ガスの冷却方法では、第１流路３２が配列された第１基板３８と第２流路３４が配列された第２基板４０とが積層された積層体２６を備える熱交換器１０を用意し、第１流路３２を流れる水素ガスと第２流路３４を流れるブラインとの間で熱交換させて水素ガスを冷却する冷却工程において、水素ガスが特定方向において一方側から他方側へ向かうとともにブラインが他方側から一方側へ向かうように各第１流路３２に水素ガスを導入するとともに各第２流路３４にブラインを導入し、第２排出口３４ｂでのブラインの温度が第１排出口５２での水素ガスの温度よりも高くなるように各第２流路３４に導入するブラインの温度及び流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスの冷却方法及び水素ガスの冷却システムに関するものである。

燃料電池車に水素ガスを供給する水素ステーションでは、燃料電池車への水素ガスの充填効率を高めるため、水素ガスを充填前に高圧に圧縮する。この圧縮された水素ガスを燃料電池車のタンクへ充填する際、タンク内の圧力上昇に伴って圧縮熱が生じるため、その圧縮熱によるタンクの昇温を避けるために水素ステーションで高圧にされた水素ガスを冷却してから燃料電池車へ供給する。下記特許文献１及び下記特許文献２には、このような燃料電池車への供給前に水素ガスを冷却するための冷却方法及び冷却システムの一例が開示されている。

下記特許文献１では、金属粉を含む伝熱媒体が充填された充填槽を内部に有する容器と、その容器の外部から充填槽に引き込まれて螺旋状をなすガス流路及び伝熱媒体流路とを有する熱交換器を備えた冷却システムが用いられている。ガス流路と伝熱媒体流路とは、互いに沿うように近接した状態で配設されている。ガス流路には、水素ガスが流され、伝熱媒体流路には、充填槽に充填された伝熱媒体とは異なる低温の伝熱媒体が流される。水素ガスは、ガス流路を流れながら、伝熱媒体流路を流れる伝熱媒体との間で直接的に又は充填槽中の伝熱媒体を介して熱交換することにより冷却される。

また、下記特許文献２では、水素ガスと冷媒を流通させる二重管を有する熱交換器を備えた冷却システムが用いられている。この冷却システムでは、伝熱効率を向上させるため、水素供給路と冷媒供給路の圧力を同程度にした二重管を用いることで、両供給路の境界を構成する内管の管壁の薄肉化を実現し、熱交換器の伝熱抵抗を低減するとともに熱交換器を小型化している。

特開２０１０−１２１６５７号公報 特開２０１１−８０４９５号公報

上記特許文献１に開示された水素ガスの冷却方法では、充填槽に多量の伝熱媒体を充填する必要があり、伝熱媒体の使用量が増大する。また、充填槽に充填された多量の伝熱媒体の熱抵抗は大きいため、この冷却方法で水素ガスの十分な冷却を行うためには、伝熱媒体流路に流す伝熱媒体をより低温にする必要があり、その伝熱媒体の冷却に要するエネルギが増大する。

一方、上記特許文献２に開示された水素ガスの冷却方法では、上記特許文献１の冷却方法に比べて伝熱媒体としての冷媒の使用量は減らすことができるものの、水素ガスの冷却処理量を増加するためには例えば二重管の本数を増やす必要がある。二重管の本数を増やす場合には、熱交換器が大型化する。また、上記特許文献２では、伝熱効率を向上させるため、水素供給路と冷媒供給路の圧力を同程度にすることが示されているが、実際には、高圧の水素ガスを燃料電池車に充填する際、水素ガスの圧力は刻々と変化する。このため、水素供給路に流す水素ガスの圧力制御を行ったとしても、実際には水素供給路と冷媒供給路との差圧は大きくなる。従って、この大きくなる差圧を考慮して安全率を有した管の肉厚の決定が必要となる。このため、結局は管の肉厚を大きくせざるを得ず、その結果、管の熱抵抗が大きくなる。この場合には、外管内の冷媒供給路に流す冷媒をより低温にしなければ、内管内の水素供給路を流れる水素ガスを十分に冷却することができなくなるため、冷媒の冷却に要するエネルギが増大する。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いる伝熱媒体としてのブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制し、且つ、水素ガスを十分に冷却できるようにすることである。

上記目的を達成するために、本発明による水素ガスの冷却方法は、非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する方法であって、微細流路である複数の第１流路が配列された第１層と微細流路である複数の第２流路が配列された第２層とが積層された積層体を備える熱交換器を用意する工程と、前記各第１流路に水素ガスを流通させるとともに前記各第２流路に水素ガスよりも低温のブラインを流通させて前記第１流路を流れる水素ガスと前記第２流路を流れるブラインとの間で熱交換させることにより水素ガスを冷却する冷却工程とを備え、前記冷却工程では、前記各第１流路を流れる水素ガスが前記第１層及び前記第２層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうとともに前記各第２流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように前記各第１流路に水素ガスを導入するとともに前記各第２流路にブラインを導入し、前記第２流路の出口でのブラインの温度が前記第１流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように前記各第２流路に導入するブラインの温度及び流量を制御する。

この水素ガスの冷却方法では、熱交換器の積層体内において微細流路である各第１流路を流れる水素ガスと微細流路である各第２流路を流れるブラインとの間での熱交換により水素ガスが冷却されるため、従来の充填槽に充填された伝熱媒体を介しての熱交換による水素ガスの冷却方法や従来の二重管内での冷媒と水素ガスとの間での熱交換による水素ガスの冷却方法に比べて、ブラインの単位体積当たりでの水素ガスとの熱交換効率が高くなり、その結果、ブラインの単位体積当たりでの水素ガスの冷却効率を高めることができる。また、第１流路を流れる水素ガスは下流側へ向かうに従って降温し、第２流路を流れるブラインは下流側、すなわち第１流路の水素ガスの入口側へ向かうに従って昇温するが、この水素ガスの冷却方法では、各第１流路を流れる水素ガスが積層体の各層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうとともに各第２流路を流れるブラインが前記他方側から前記一方側へ向かうように各第１流路に水素ガスを導入するとともに各第２流路にブラインを導入するため、水素ガスは、第１流路を下流側へ流れるに従って、第２流路の上流側のより低温のブラインとの間で熱交換することができる。このため、水素ガスの冷却効率をより高めることができる。さらに、この水素ガスの冷却方法では、第２流路の出口でのブラインの温度が第１流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように各第２流路に導入するブラインの温度及び流量を制御するため、第２流路の出口でのブラインの温度が第１流路の出口での水素ガスの温度以下になる場合に比べてブラインから水素ガスへ与えられるブライン流量（単位体積）あたりの冷熱が大きくなり、水素ガスをより有効に冷却することができる。以上のように、本冷却方法では、水素ガスの冷却効率を高めることができることから、ブラインの使用量を削減したとしても、また、ブラインを過剰に低温まで冷却しなくても、水素ガスを十分に冷却することができる。また、熱交換器の積層体内に微細流路である複数の第１流路と微細流路である複数の第２流路を集積することができるので、熱交換器の小型化を図りつつ水素ガスの冷却処理量を十分に確保することができる。従って、本冷却方法では、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。

上記水素ガスの冷却方法において、前記熱交換器として、前記各第１流路と前記各第２流路が蛇行した形状で前記積層体内に形成されたものを用い、前記冷却工程では、水素ガスを前記各第１流路の蛇行した形状に沿ってその第１流路に流通させ、ブラインを前記各第２流路の蛇行した形状に沿ってその第２流路に流通させることが好ましい。

この構成によれば、例えば流路が直線状に形成されている場合に比べて１つの層あたりに設けられる流路本数は少なくなるものの各流路の長さを大きくすることができ、積層体における第１流路と第２流路の伝熱面積を十分に確保することができる。また、１つの層あたりに設けられる流路本数が少なくなることによって、それらの流路に流す流体の総流量が同じである場合でも各流路をそれぞれ流れる流体の流速を上げることができる。一般的に、流路を流れる流体の流速が上がると、その流路内での流体の乱れが大きくなり、その結果、伝熱性能が向上する。従って、この構成では、第１流路と第２流路の伝熱面積を十分に確保しつつ、各第１流路を流れる水素ガスの流速と各第２流路を流れるブラインの流速を上げてそれらの水素ガスとブラインとの間での伝熱性能を向上することができ、水素ガスをより有効に冷却することができる。

上記水素ガスの冷却方法において、前記冷却工程では、前記第２流路の出口でのブラインの温度がその第２流路の入口でのブラインの温度よりも１０℃以上高くなるように前記各第２流路に導入するブラインの流量を制御することが好ましい。

この構成によれば、熱交換器の積層体内において第２流路を流れるブラインから第１流路を流れる水素ガスへ与えられる冷熱を十分に大きくすることが可能な各第２流路へのブラインの導入流量の具体的な条件を設定することができる。

上記水素ガスの冷却方法において、前記冷却工程では、前記第２流路の入口でのブラインの温度が−４０℃になるように前記各第２流路に導入するブラインの温度を制御することが好ましい。

この構成によれば、熱交換器の積層体の水素脆化を抑制しつつ、水素ガスを有効に冷却可能な各第２流路へ導入するブラインの温度条件を設定することができる。

本発明による水素ガスの冷却システムは、非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する冷却システムであって、ブラインを冷却する冷凍機と、前記冷凍機との間でブラインが循環するように前記冷凍機に接続され、水素ガスを前記冷凍機から供給されたブラインとの間で熱交換させることにより冷却する熱交換器と、前記冷凍機で冷却されたブラインを前記熱交換器へ送出するポンプとを備え、前記熱交換器は、水素ガスが導入されて流れる微細流路である複数の第１流路が配列された第１層とブラインが導入されて流れる微細流路である複数の第２流路が配列された第２層とが積層された積層体を有していて、前記第１流路を流れる水素ガスと前記第２流路を流れるブラインとの間で熱交換させ、前記各第１流路の水素ガスの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第１流路を流れる水素ガスが前記第１層及び前記第２層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうように配置され、前記各第２流路のブラインの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第２流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように配置され、前記第２流路の出口でのブラインの温度が前記第１流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように、前記冷凍機が前記各第２流路へ供給するブラインの温度を制御するとともに前記ポンプが前記各第２流路へ送出するブラインの流量を制御する。

この水素ガスの冷却システムでは、上記水素ガスの冷却方法と同様の理由により、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。

上記水素ガスの冷却システムにおいて、前記各第１流路と前記各第２流路は、蛇行した形状で前記積層体内に形成されていることが好ましい。

この構成によれば、例えば流路が直線状に形成されている場合に比べて１つの層あたりに設けられる流路本数は少なくなるものの各流路の長さを大きくすることができ、積層体における第１流路と第２流路の伝熱面積を十分に確保することができる。また、１つの層あたりに設けられる流路本数が少なくなることによって、それらの流路に流す流体の総流量が同じである場合でも各流路をそれぞれ流れる流体の流速を上げることができる。一般的に、流路を流れる流体の流速が上がると、その流路内での流体の乱れが大きくなり、その結果、伝熱性能が向上する。従って、この構成では、第１流路と第２流路の伝熱面積を十分に確保しつつ、各第１流路を流れる水素ガスの流速と各第２流路を流れるブラインの流速を上げてそれらの水素ガスとブラインとの間での伝熱性能を向上することができ、水素ガスをより有効に冷却することができる。

上記水素ガスの冷却システムにおいて、前記ポンプは、前記第２流路の出口でのブラインの温度がその第２流路の入口でのブラインの温度よりも１０℃以上高くなる流量でブラインが前記各第２流路を流れるようにブラインを送出することが好ましい。

この構成によれば、熱交換器の積層体内において第２流路を流れるブラインから第１流路を流れる水素ガスへ与えられる冷熱を十分に大きくすることが可能なポンプのブラインの送出流量を具体的に設定することができる。

上記水素ガスの冷却システムにおいて、前記冷凍機は、前記第２流路の入口でのブラインの温度が−４０℃になるように前記各第２流路へ供給するブラインの温度を制御することが好ましい。

この構成によれば、熱交換器の積層体の水素脆化を抑制しつつ、水素ガスを有効に冷却可能な冷凍機のブラインの冷却温度を具体的に設定することができる。

以上説明したように、本発明によれば、熱交換器の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、ブラインの冷却に要するエネルギの増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。

本発明の一実施形態による水素ガスの冷却システムの全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態による水素ガスの冷却システムに用いる熱交換器を基板積層方向における一方側から見た正面図である。 図２に示した熱交換器を図２における右側から見た側面図である。 図３に示した熱交換器の積層体の部分的な断面図である。 図３に示した熱交換器の積層体において第１流路を形成する第１基板の概略的な平面図である。 図３に示した熱交換器の積層体において第２流路を形成する第２基板の概略的な平面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

まず、図１〜図６を参照して、本発明の一実施形態による水素ガスの冷却方法に用いる冷却システムの構成について説明する。

この冷却システムは、例えば水素ステーションにおいて燃料電池車９０（図１参照）に供給する水素ガスを冷却するために用いられるものである。水素ステーションでは、燃料電池車９０への水素ガスの充填効率を高めるために、水素ガスを高圧に圧縮した上で燃料電池車９０へ供給するが、この水素ガスの圧縮に伴って圧縮熱が生じる。本実施形態の冷却システムは、この圧縮熱による水素ガスの昇温を避けるため、圧縮後の高圧の水素ガスを燃料電池車９０への充填前に低温に冷却するものである。

本実施形態の冷却システムは、図１に示すように、冷凍機２と、タンク４と、第１ポンプ６と、第２ポンプ８と、熱交換器１０とを備える。

冷凍機２は、ブラインを冷却するものであり、ブラインの温度を制御する機能を備えている。ブラインは、非蒸発性の不凍液であり、例えば、エチレングリコール水や、フッ素系の液体等が用いられる。冷凍機２は、熱交換器１０で水素ガスと熱交換して昇温したブラインが導入される導入部２ａと、当該冷凍機２が冷却した後のブラインを吐出する吐出部２ｂとを有する。冷凍機２は、導入部２ａから当該冷凍機２に導入されたブラインを低温の代替フロン等の冷媒との間で熱交換させることにより、そのブラインを冷却し、冷却後のブラインを吐出部２ｂから吐出する。冷凍機２は、冷媒の温度を変更可能に構成されており、その冷媒の温度を変更することによってブラインの冷却後の温度を制御するようになっている。冷凍機２には、例えば−３０℃のブラインが導入され、そのブラインを例えば−４０℃以下にまで冷却する。

タンク４は、ブラインを貯留するためのものである。タンク４内には、冷凍機２から吐出された冷却後のブラインを貯留するための冷却後ブライン貯留室１２と、熱交換器１０から排出された熱交換後のブラインを貯留するための熱交換後ブライン貯留室１４とが設けられている。冷却後ブライン貯留室１２は、配管１８を介して冷凍機２の吐出部２ｂに接続されているとともに、配管２０を介して熱交換器１０の後述する供給ヘッダ２８に接続されている。熱交換後ブライン貯留室１４は、配管２２を介して熱交換器１０の後述する排出ヘッダ３０に接続されているとともに、配管２４を介して冷凍機２の導入部２ａに接続されている。冷却後ブライン貯留室１２と熱交換後ブライン貯留室１４との間には、仕切壁１６が設けられており、冷却後ブライン貯留室１２に貯留された冷却後のブラインと熱交換後ブライン貯留室１４に貯留された熱交換後のブラインとが混ざらないようになっている。また、仕切壁１６は、高断熱性の材料によって形成されており、冷却後ブライン貯留室１２に貯留されたブラインと熱交換後ブライン貯留室１４に貯留されたブラインとの間で熱交換が生じるのを防いでいる。

第１ポンプ６は、冷却後ブライン貯留室１２の出口に繋がる配管２０に設けられており、冷却後ブライン貯留室１２に貯留されたブラインを吸引するとともに熱交換器１０へ送出するものである。この第１ポンプ６は、単位時間当たりのブラインの送出流量を変更可能に構成されている。

第２ポンプ８は、熱交換後ブライン貯留室１４の出口に繋がる配管２４に設けられており、熱交換後ブライン貯留室１４に貯留されたブラインを吸引するとともに冷凍機２の導入部２ａへ送出するものである。この第２ポンプ８は、単位時間当たりのブラインの送出流量を変更可能に構成されている。

熱交換器１０は、圧縮機１００で圧縮されて高圧となった水素ガスを低温のブラインとの間で熱交換させて冷却するものである。この熱交換器１０は、多数のマイクロチャネル（微細流路）を有し、その各マイクロチャネルにそれぞれ流体を流通させながら、その流体同士の間で熱交換を行わせる、いわゆるマイクロチャネル熱交換器である。

熱交換器１０は、多数の流路が内部に設けられた積層体２６と、積層体２６内の後述する第２流路３４にブラインを供給するための供給ヘッダ２８と、後述する第２流路３４からブラインを排出するための排出ヘッダ３０とを有する。

積層体２６は、直方体状の外形を有している。積層体２６の内部には、図４に示すように、マイクロチャネル（微細流路）である多数の第１流路３２と、マイクロチャネル（微細流路）である多数の第２流路３４とが設けられている。第１流路３２は、水素ガスを流通させるものであり、第２流路３４は、水素ガスを冷却するためのブラインを流通させるものである。

積層体２６は、図３に示すように、複数の第１基板３８と、複数の第２基板４０と、一対の端板４２とによって形成されている。具体的には、第１基板３８と第２基板４０とが交互に繰り返し積層され、その積層方向の両端に一対の端板４２が分かれて積層されることによって積層体２６が形成されている。積層体２６では、第１基板３８の厚み方向の両側に第２基板４０がそれぞれ積層されている。各第１基板３８には、複数の第１流路３２がそれぞれ配列され、各第２基板４０には、複数の第２流路３４がそれぞれ配列されている。各基板３８，４０は、例えばステンレス鋼等によって形成された薄い平板である。積層された基板３８，４０は、それらの互いに接触する板面同士が拡散接合されることによって一体化されている。なお、第１基板３８は、本発明の第１層の一例であり、第２基板４０は、本発明の第２層の一例である。

各第１基板３８の厚み方向における一方の板面（図５参照）には、複数の第１流路３２を形成するための複数の第１流路用溝部４８が形成されている。なお、図５では、第１基板３８に形成された複数の第１流路用溝部４８全体の外形を示しており、第１流路用溝部４８の１本ずつの図示については省略しているが、図５に示した外形内に複数の第１流路用溝部４８が並列配置されている。第１基板３８の前記一方の板面における複数の第１流路用溝部４８の開口がその板面上に積層された第２基板４０で封止されることによって、その一方の板面側に配列されるとともにその一方の板面に沿うように複数の第１流路３２が形成されている。

積層体２６のうち第１基板３８の長手方向の一端近傍（積層体２６の上端近傍）で且つ第１基板３８の幅方向の一端近傍の位置には、各第１流路３２へ水素ガスを導入するための第１導入口５０が形成されている。この第１導入口５０は、本発明による第１流路の入口の一例である。第１導入口５０は、各基板３８，４０と一対の端板４２のうちの一方の端板４２とを同じ位置で厚み方向に貫通して連通する貫通穴によって形成されている。これにより、第１導入口５０は、基板３８，４０の積層方向に連続し、前記一方の端板４２の表側の板面において開口した穴となっている。また、各第１基板３８に形成された複数の第１流路３２は、全て、この第１導入口５０に繋がっている。すなわち、第１導入口５０は、積層体２６内に設けられた全ての第１流路３２に共通の水素ガスの導入口となっている。

積層体２６のうち第１基板３８の長手方向及び幅方向において第１導入口５０と反対側の端部近傍の位置には、各第１流路３２を流れた水素ガスを排出するための第１排出口５２が形成されている。この第１排出口５２は、本発明による第１流路の出口の一例である。第１排出口５２は、第１導入口５０と同様、各基板３８，４０と前記一方の端板４２を同じ位置で厚み方向に貫通して連通する貫通穴によって形成されている。また、第１排出口５２は、第１導入口５０と同様、積層体２６内に設けられた全ての第１流路３２に共通の水素ガスの排出口となっている。

第１流路３２は、第１導入口５０と第１排出口５２の間で、第１基板３８の幅方向の一方側から他方側へ直線的に延びる部分と、その部分から折り返されて第１基板３８の幅方向の前記他方側から前記一方側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有する。

各第２基板４０の厚み方向における一方の板面（図６参照）には、複数の第２流路３４を形成するための複数の第２流路用溝部５４が形成されている。なお、図６では、図５と同様、第２基板４０に形成された複数の第２流路用溝部５４全体の外形を示しており、第２流路用溝部５４の１本ずつの図示については省略しているが、図６に示した外形内に複数の第２流路用溝部５４が並列配置されている。第２基板４０の前記一方の板面における複数の第２流路用溝部５４の開口がその板面上に積層された第１基板３８で封止されることによって、その一方の板面側に配列されるとともにその一方の板面に沿うように複数の第２流路３４が形成されている。

各第２基板４０に形成された複数の第２流路３４は、２系統に分かれている。具体的には、この複数の第２流路３４は、第２基板４０の幅方向の中心から一方側に配置された一方の群の第２流路３４と、第２基板４０の幅方向の中心から他方側に配置された他方の群の第２流路３４とによって構成されている。前記一方の群の第２流路３４は、第２基板４０の幅方向の中心側からその第２基板４０の幅方向の前記一方側の端縁側へ直線的に延びる部分と、その部分から折り返されて第２基板４０の幅方向の中心側へ直線的に延びる部分とが繰り返し設けられた蛇行した形状を有する。また、前記他方の群の第２流路３４は、前記一方の群の第２流路３４と第２基板４０の幅方向の中心に対して対称となる蛇行した形状を有する。

第２基板４０に形成された各第２流路３４の一端は、第２基板４０の長手方向に沿う積層体２６の長手方向の一方側の端面、具体的には前記第１排出口５２が配置された側の端面において開口している。これらの開口は、各第２流路３４へブラインを導入するための第２導入口３４ａとなっている。第２導入口３４ａは、本発明による第２流路の入口の一例である。第２基板４０に形成された各第２流路３４の第２導入口３４ａと反対側の端部は、第２基板４０の長手方向に沿う積層体２６長手方向の他方側の端面、具体的には前記第１導入口５０が配置された側の端面において開口している。これらの開口は、各第２流路３４からブラインを排出するための第２排出口３４ｂとなっている。第２排出口３４ｂは、本発明による第２流路の出口の一例である。

以上のように構成された積層体２６において、第１基板３８の一方の板面側に配列された複数の第１流路３２のうち第１基板３８の幅方向に直線的に延びる部分の形成領域と、第２基板４０の一方の板面側に配列された複数の第２流路３４のうち第２基板４０の幅方向に直線的に延びる部分の形成領域とは、基板３８，４０の積層方向から見て互いに重なって一致している。また、熱交換器１０（積層体２６）は、第１導入口５０及び第２排出口３４ｂが上側に位置するとともに第１排出口５２及び第２導入口３４ａが下側に位置し、且つ、積層体２６の長手方向（各基板３８，４０の長手方向）が上下方向に一致するように配置される。すなわち、熱交換器１０の積層体２６では、各第１流路３２の第１導入口５０及び第１排出口５２が、第１導入口５０から導入されて各第１流路３２を第１排出口５２側へ流れる水素ガスが総体的には第１基板３８及び第２基板４０の積層方向に直交する鉛直方向において上側から下側へ向かうように配置されている。また、各第２流路３４の第２導入口３４ａ及び第２排出口３４ｂが、第２導入口３４ａから導入されて各第２流路３４を第２排出口３４ｂ側へ流れるブラインが総体的には鉛直方向において下側から上側へ向かうように配置されている。

供給ヘッダ２８は、積層体２６のうち第２導入口３４ａが形成された端面に取り付けられている。供給ヘッダ２８には、配管２０（図１参照）が接続されており、第１ポンプ６から送出されたブラインが配管２０を通じて供給されるようになっている。供給ヘッダ２８内には、供給されたブラインが通る内部空間が設けられており、この内部空間は、供給ヘッダ２８が積層体２６に取り付けられた状態で、積層体２６に設けられた全ての第２流路３４の第２導入口３４ａと連通するようになっている。すなわち、供給ヘッダ２８に供給されたブラインは、その内部空間から各第２流路３４の第２導入口３４ａに分配されて導入されるようになっている。

排出ヘッダ３０は、積層体２６のうち第２排出口３４ｂが形成された端面に取り付けられている。排出ヘッダ３０には、配管２２（図１参照）が接続されている。排出ヘッダ３０内には、当該排出ヘッダ３０が積層体２６に取り付けられた状態で、積層体２６に設けられた全ての第２流路３４の第２排出口３４ｂと連通する内部空間が設けられている。各第２流路３４を流れたブラインは、それら各第２流路３４の第２排出口３４ｂから排出ヘッダ３０の内部空間に流出し、その内部空間から配管２２へ排出されるようになっている。

供給ヘッダ２８には、第２流路３４の第２導入口３４ａに導入されるブラインの温度を検出するブライン入口温度検出部６０（図１及び図２参照）が接続されており、排出ヘッダ３０には、第２流路３４の第２排出口３４ｂから排出されるブラインの温度を検出するブライン出口温度検出部６２（図１及び図２参照）が接続されている。また、第１流路３２の第１排出口５２には、その第１排出口５２から排出される水素ガスの温度を検出する水素ガス出口温度検出部６４（図１及び図２参照）が接続されている。ブライン入口温度検出部６０、ブライン出口温度検出部６２及び水素ガス出口温度検出部６４の各検出温度のデータは、第１ポンプ６に入力されるようになっており、第１ポンプ６は、それらの入力された検出温度のデータに基づいてブラインの送出流量の制御を行う。また、ブライン入口温度検出部６０の検出温度のデータは、冷凍機２に入力されるようになっており、冷凍機２は、その入力された検出温度のデータに基づいてブラインの冷却温度を制御する。

また、本実施形態による冷却システムの熱交換器１０は、要求される熱交換量をＱ（ｋＷ）とし、熱交換器の形態に起因する値である総括伝熱係数をＵ（ｋＷ／ｍ^２・℃）とし、熱交換器内の伝熱面積をＡ（ｍ^２）とし、第２流路３４の第２導入口３４ａでのブラインの温度と第２流路３４の第２排出口３４ｂでのブラインの温度とから求められる対数平均温度をｄＴ（℃）とした場合に、次式（１）を満たすように、流路３２，３４の形状、サイズ及び本数、積層体２６を構成する基板３８，４０の積層数等の構造が設計されている。

Ｑ＝Ｕ×Ａ×ｄＴ・・・（１）

次に、本実施形態による水素ガスの冷却方法について説明する。

本実施形態による水素ガスの冷却方法では、上記の冷却システムを用意する。そして、冷凍機２（図１参照）がブラインを低温の冷媒との間で熱交換させることにより冷却し、その冷却後のブラインは吐出部２ｂから配管１８を通じてタンク４の冷却後ブライン貯留室１２へ送られる。冷却後ブライン貯留室１２に導入されたブラインは、その貯留室１２において一時的に貯留されるとともに、第１ポンプ６の吸引力により配管２０へ排出される。このブラインは、第１ポンプ６により熱交換器１０へ送られ、供給ヘッダ２８（図２及び図３参照）の内部空間を通じて積層体２６内の各第２流路３４（図６参照）へそれらの第２導入口３４ａから導入される。

冷凍機２は、第２導入口３４ａでのブラインの温度が−４０℃になるようにブラインの冷却温度を制御する。具体的には、冷凍機２は、ブライン入口温度検出部６０による検出温度が−４０℃になるように冷媒の温度を調節してブラインの冷却温度を制御する。

各第２流路３４に導入されたブラインは、第２導入口３４ａから第２排出口３４ｂ側へ向かってその第２流路３４を流れる。この各第２流路３４を流れるブラインは、全体的には、積層体２６の基板３８，４０の積層方向に直交する鉛直方向において下側から上側へ向かって移動する。

一方、圧縮機１００（図１参照）では、水素ガスが圧縮され、その圧縮後の高圧の水素ガスが、圧縮機１００から熱交換器１０の第１導入口５０へ導入される。この第１導入口５０に導入される水素ガスは、圧縮機１００での圧縮後、冷却水により冷却されてその温度が４０℃になっている。そして、第１導入口５０に導入された水素ガスは、積層体２６内の各第１流路３２（図５参照）へ分配されて供給される。各第１流路３２に供給された水素ガスは、第１導入口５０側から第１排出口５２側へ向かってその第１流路３２を流れ、全体的には、鉛直方向において上側から下側へ向かって移動する。この過程において、各第１流路３２（図４参照）を流れる水素ガスとその第１流路３２に対して隣り合う第２流路３４（図４参照）を流れるブラインとの間で、積層体２６のうちその両流路３２，３４間に位置する部分を介して熱交換が行われる。これにより、水素ガスが冷却される。この際、水素ガスは、各第１流路３２の下流側（第１排出口５２側）へ流れるに従って漸次降温し、第１排出口５２における水素ガスの温度は−３７℃になる。

一方、ブラインは、各第２流路３４の下流側（第２排出口３４ｂ側）へ流れるに従って漸次昇温する。この時のブラインの昇温の度合いは、第２流路３４に導入されるブラインの温度及び流量によって異なるが、本実施形態では、第２排出口３４ｂでのブラインの温度が第１排出口５２での水素ガスの温度（−３７℃）よりも高くなり、且つ、第２排出口３４ｂでのブラインの温度が第２導入口３４ａでのブラインの温度（−４０℃）よりも１０℃以上高くなるように、各第２流路３４に導入するブラインの流量、すなわち第１ポンプ６によるブラインの送出流量が制御される。具体的には、第１ポンプ６によるブラインの送出流量は、第２排出口３４ｂでのブラインの温度が−３０℃になるように制御される。

この時の第１ポンプ６によるブラインの送出流量の制御は、水素ガス出口温度検出部６４による検出温度と、ブライン入口温度検出部６０による検出温度と、ブライン出口温度検出部６２による検出温度とに基づいて行われる。第１ポンプ６は、水素ガス出口温度検出部６４による検出温度とブライン出口温度検出部６２による検出温度とを比較して、ブライン出口温度検出部６２による検出温度が水素ガス出口温度検出部６４による検出温度以下である場合には、ブライン出口温度検出部６２による検出温度が水素ガス出口温度検出部６４による検出温度よりも高くなるまでブラインの送出流量を減少させる。また、第１ポンプ６は、ブライン出口温度検出部６２による検出温度とブライン入口温度検出部６０による検出温度との温度差が１０℃よりも小さい場合には、その温度差が１０℃以上になるまでブラインの送出流量を減少させ、より具体的にはブライン出口温度検出部６２による検出温度が−３０℃になるようにブラインの送出流量を制御する。

冷却後の水素ガスは、各第１流路３２の第１排出口５２（図２及び図５参照）を通じて排出され、燃料電池車９０（図１参照）へ供給される。一方、熱交換後のブラインは、各第２流路３４の第２排出口３４ｂから排出ヘッダ３０の内部空間を通じて配管２２（図１参照）へ排出されるとともに、その配管２２を通じてタンク４の熱交換後ブライン貯留室１４へ導入されて貯留される。熱交換後ブライン貯留室１４に貯留された熱交換後のブラインは、第２ポンプ８により配管２４を通じて吸引されるとともに冷凍機２へ送られ、その導入部２ａから冷凍機２へ導入される。冷凍機２に導入された熱交換後のブラインは、再度冷却されて冷凍機２から熱交換器１０へ供給される。

以上のようにして本実施形態による水素ガスの冷却方法が実施される。

本実施形態では、熱交換器１０の積層体２６内においてマイクロチャネルである各第１流路３２を流れる水素ガスとマイクロチャネルである各第２流路３４を流れるブラインとの間での熱交換により水素ガスが冷却されるため、ブラインの単位体積当たりでの水素ガスとの熱交換効率を高めて水素ガスの冷却効率を高めることができる。また、第１流路３２を流れる水素ガスは下流側へ向かうに従って降温し、第２流路３４を流れるブラインは下流側、すなわち第１流路３２の第１導入口５０側へ向かうに従って昇温するが、本実施形態では、各第１流路３２を流れる水素ガスが全体的に上側から下側へ向かって移動するとともに各第２流路３４を流れるブラインが全体的に下側から上側へ向かって移動するため、水素ガスは、第１流路３２の下流側へ流れるに従って第２流路３４の上流側のより低温のブラインとの間で熱交換することができる。このため、水素ガスの冷却効率をより高めることができる。さらに、本実施形態では、第２流路３４の第２排出口３４ｂでのブラインの温度が第１流路３２の第１排出口５２での水素ガスの温度よりも高くなるように各第２流路３４に導入するブラインの温度及び流量を制御するため、第２流路３４の第２排出口３４ｂでのブラインの温度が第１流路３２の第１排出口５２での水素ガスの温度以下になる場合に比べて熱交換器１０でブラインから水素ガスへ与えられるブライン流量（単位体積）あたりの冷熱が大きくなり、水素ガスをより有効に冷却することができる。以上のように、本実施形態では、水素ガスの冷却効率を高めることができることから、ブラインの使用量を削減したとしても、また、ブラインを過剰に低温まで冷却しなくても、水素ガスを十分に冷却することができる。

また、本実施形態では、熱交換器１０の積層体２６内にマイクロチャネルである多数の第１流路３２とマイクロチャネルである多数の第２流路３４を集積することができるので、熱交換器１０の小型化を図りつつ水素ガスの冷却処理量を十分に確保することができる。従って、本実施形態では、熱交換器１０の小型化及び水素ガスの冷却処理量の確保を両立しながら、水素ガスの冷却に用いるブラインの使用量を削減するとともに、冷凍機２でブラインの冷却に要するエネルギ（冷媒の冷却に要するエネルギ）の増大を抑制でき、且つ、水素ガスを十分に冷却することができる。また、ブラインの使用量を削減できることによって、冷凍機２と熱交換器１０との間でブラインを循環させるための第１ポンプ６及び第２ポンプ８の駆動に要するエネルギを削減することができる。

また、本実施形態では、各第１流路３２と各第２流路３４が蛇行した形状で形成されているため、例えばそれらの流路が直線状に形成されている場合に比べて各基板３８，４０の１枚あたりに設けられる流路３２，３４の本数は少なくなるものの各流路３２，３４の長さを大きくすることができ、積層体２６における第１流路３２と第２流路３４の伝熱面積を十分に確保することができる。また、各基板３８，４０の１枚あたりに設けられる流路３２，３４の本数が少なくなることによって、それらの流路３２，３４に流す流体の総流量が同じである場合でも各流路３２，３４をそれぞれ流れる流体の流速を上げることができる。一般的に、流路を流れる流体の流速が上がると、その流路内での流体の乱れが大きくなり、その結果、伝熱性能が向上する。従って、本実施形態では、第１流路３２と第２流路３４の伝熱面積を十分に確保しつつ、各第１流路３２を流れる水素ガスの流速と各第２流路３４を流れるブラインの流速を上げてそれらの水素ガスとブラインとの間での伝熱性能を向上することができ、水素ガスをより有効に冷却することができる。

また、本実施形態では、第２流路３４の第２排出口３４ｂでのブラインの温度がその第２流路３４の第２導入口３４ａでのブラインの温度よりも１０℃以上高くなるように各第２流路３４に導入するブラインの流量を制御するため、熱交換器１０において第２流路３４を流れるブラインから第１流路３２を流れる水素ガスへ与えられる冷熱を十分に大きくすることができ、水素ガスの冷却効率をより高めることができる。

また、本実施形態では、第２流路３４の第２導入口３４ａでのブラインの温度が−４０℃になるように各第２流路３４に導入するブラインの温度を制御するため、熱交換器１０の積層体２６の水素脆化を抑制しつつ、水素ガスを十分に冷却することができる。具体的に、積層体２６を構成する各基板３８，４０の材料であるステンレス鋼は−４０℃よりも低温に冷却された状態で水素ガスと接触していると水素脆化が著しくなることが知られている。このため、本実施形態のように第２導入口３４ａでのブラインの温度が−４０℃になるように各第２流路３４に導入するブラインの温度を制御することにより、積層体２６は−４０℃以上の温度になり、水素脆化を抑制することができる。そして、第２導入口３４ａに−４０℃のブラインを導入することで、積層体２６の水素脆化を抑制しつつ第１流路３２を流れる水素ガスを十分に冷却することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、第１流路及び第２流路の形状としては、上記以外の様々な形状を適用することができる。例えば、第１流路及び第２流路は、上記のような折り返しを繰り返す蛇行形状をなすものに限定されず、例えば、直線状に延びるものであってもよい。

また、１枚の第１基板に形成される第１流路の数及び１枚の第２基板に形成される第２流路の数は、自由に設定可能である。また、各第１流路の幅及び断面形状と、各第２流路の幅及び断面形状についても自由に設定可能である。

また、上記実施形態では、第１流路が配列された第１基板と第２流路が配列された第２基板とが交互に積層されているが、積層の形態はこれに限定されない。例えば、水素ガスを流通させる第１流路が配列された１枚の第１基板に対して、ブラインを流通させる第２流路が配列された２枚以上の第２基板が積層されてもよい。

また、熱交換器（積層体）の配置の向きは、上記のように基板の長手方向が上下方向に一致する向きに限定されない。例えば、基板の長手方向が水平方向に一致する向きや、その他、斜め向き等に熱交換器（積層体）を配置してもよい。

６ 第１ポンプ
１０ 熱交換器
２６ 積層体
３２ 第１流路
３４ 第２流路
３４ａ 第２導入口（入口）
３４ｂ 第２排出口（出口）
３８ 第１基板（第１層）
４０ 第２基板（第２層）
５０ 第１導入口（入口）
５２ 第１排出口（出口）

Claims (8)

1. 非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する方法であって、
   微細流路である複数の第１流路が配列された第１層と微細流路である複数の第２流路が配列された第２層とが積層された積層体を備える熱交換器を用意する工程と、
   前記各第１流路に水素ガスを流通させるとともに前記各第２流路に水素ガスよりも低温のブラインを流通させて前記第１流路を流れる水素ガスと前記第２流路を流れるブラインとの間で熱交換させることにより水素ガスを冷却する冷却工程とを備え、
   前記冷却工程では、前記各第１流路を流れる水素ガスが前記第１層及び前記第２層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうとともに前記各第２流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように前記各第１流路に水素ガスを導入するとともに前記各第２流路にブラインを導入し、前記第２流路の出口でのブラインの温度が前記第１流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように前記各第２流路に導入するブラインの温度及び流量を制御する、水素ガスの冷却方法。
2. 前記熱交換器として、前記各第１流路と前記各第２流路が蛇行した形状で前記積層体内に形成されたものを用い、
   前記冷却工程では、水素ガスを前記各第１流路の蛇行した形状に沿ってその第１流路に流通させ、ブラインを前記各第２流路の蛇行した形状に沿ってその第２流路に流通させる、請求項１に記載の水素ガスの冷却方法。
3. 前記冷却工程では、前記第２流路の出口でのブラインの温度がその第２流路の入口でのブラインの温度よりも１０℃以上高くなるように前記各第２流路に導入するブラインの流量を制御する、請求項１又は２に記載の水素ガスの冷却方法。
4. 前記冷却工程では、前記第２流路の入口でのブラインの温度が−４０℃になるように前記各第２流路に導入するブラインの温度を制御する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素ガスの冷却方法。
5. 非蒸発性の不凍液であるブラインを用いて水素ガスを冷却する冷却システムであって、
   ブラインを冷却する冷凍機と、
   前記冷凍機との間でブラインが循環するように前記冷凍機に接続され、水素ガスを前記冷凍機から供給されたブラインとの間で熱交換させることにより冷却する熱交換器と、
   前記冷凍機で冷却されたブラインを前記熱交換器へ送出するポンプとを備え、
   前記熱交換器は、水素ガスが導入されて流れる微細流路である複数の第１流路が配列された第１層とブラインが導入されて流れる微細流路である複数の第２流路が配列された第２層とが積層された積層体を有していて、前記第１流路を流れる水素ガスと前記第２流路を流れるブラインとの間で熱交換させ、
   前記各第１流路の水素ガスの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第１流路を流れる水素ガスが前記第１層及び前記第２層の積層方向に直交する特定方向において一方側から他方側へ向かうように配置され、
   前記各第２流路のブラインの入口及び出口は、その入口から導入されて当該第２流路を流れるブラインが前記特定方向において前記他方側から前記一方側へ向かうように配置され、
   前記第２流路の出口でのブラインの温度が前記第１流路の出口での水素ガスの温度よりも高くなるように、前記冷凍機が前記各第２流路へ供給するブラインの温度を制御するとともに前記ポンプが前記各第２流路へ送出するブラインの流量を制御する、水素ガスの冷却システム。
6. 前記各第１流路と前記各第２流路は、蛇行した形状で前記積層体内に形成されている、請求項５に記載の冷却システム。
7. 前記ポンプは、前記第２流路の出口でのブラインの温度がその第２流路の入口でのブラインの温度よりも１０℃以上高くなる流量でブラインが前記各第２流路を流れるようにブラインを送出する、請求項５又は６に記載の水素ガスの冷却システム。
8. 前記冷凍機は、前記第２流路の入口でのブラインの温度が−４０℃になるように前記各第２流路へ供給するブラインの温度を制御する、請求項５〜７のいずれか１項に記載の水素ガスの冷却システム。

Images