JP2005032707A - エア冷却式燃料電池の冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 エア冷却式燃料電池の冷却装置の提供。
【解決手段】 燃料電池の冷却スロットの一側面がファンカバーで被覆され、ファンカバーの中空部にファンが取り付けられ、該ファンの発生する冷却気流が冷却スロットの冷却気流入口より進入し、並びに燃料電池の冷却スロットを通過した後、冷却気流出口より導出される。該燃料電池中の二つの隣り合う燃料電池単電池の陽極導流板と陰極導流板の間に更に温度センサが配置されて該燃料電池の温度を検出する。該燃料電池の冷却気流入口の側面にフィルタネットカバーが設けられ、並びにフィルタネットカバーの中空部中にフィルタネットが配置される。該ファンカバーの外側面に更に導風カバーが設けられて該ファンの発生する冷却気流を加湿器に導入し、更に加湿処理した気体が回収管で回収され燃料電池の陰極気体入口に接続される。
【選択図】 図２

Description

本発明は一種の燃料電池の冷却装置に係り、特にエア冷却式燃料電池の冷却装置に関する。
燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は電気化学反応により、直接水素含有燃料と空気を利用し電力を発生させる装置である。燃料電池は低汚染、高効率、高エネルギー密度等の長所を有するため、近年各国の研究と推進の対象となっている。各種燃料電池中、プロトン交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は操作温度が比較的低く、起動が迅速で、体積と重量のエネルギー密度が比較的高いため、最も産業上の価値を有している。
該燃料電池は操作時に適当な温度と湿度の条件下で作業してこそ最良の性能を発揮できる。ゆえに燃料電池の構造中、陽極気体チャネルと陰極気体チャネルのほか、通常、冷却チャネルが設けられ、これにより該燃料電池の温度が適当な温度条件下に制御される。燃料電池の冷却技術方面では、一般に液冷式及びエア冷却式に分けられ、そのうち液冷式は良好な冷却効果を有するものの、その要求する組合せ構造が複雑及び厳格であり、ゆえに一般に小パワー燃料電池の設計では、通常エア冷却式が燃料電池の冷却方式として採用を考慮される。
周知のエア冷却式燃料電池の設計中の一種の形態は、該燃料電池の構造中に冷却気流入口と冷却気流出口が設けられ、並びに送風機が該冷却気流入口に接続されて該送風機の発生する冷却空気が該冷却気流入口より該燃料電池の冷却チャネルに送り込まれ、該燃料電池が適宜冷却される、というものである。この設計は、燃料電池内部の有限な空間中に冷却スロット及びチャネルを配置しなければならず、燃料電池の設計、組立に不便であり、構造方面でも複雑である。
さらに、冷却効果の方面では、送風機で冷却空気を冷却気流入口より燃料電池の冷却スロットに送り込む設計は、その冷却効果が理想的でないことがわかっている。
このため、本発明の主要な目的は、一種のエア冷却式燃料電池の冷却装置を提供することにあり、それは燃料電池に適当な冷却効果を達成させる装置であるものとする。
本発明の別の目的は、構造が簡易化されたエア冷却式燃料電池の冷却装置を提供することにあり、それは簡易な冷却スロット設計を組み合わせ、更にファンを配置するだけで燃料電池に適当な冷却効果を達成させるものとする。
本発明のまた別の目的は、冷却気体を回収利用できるエア冷却式燃料電池の冷却装置を提供することにあり、該燃料電池はファン及びファンカバー及び導風カバーに結合され、該ファンの発生する冷却気体を回収利用し並びに適当に加湿後に該燃料電池の陰極気体入口に導入し、更に燃料電池中に送り込むようにしたものとする。
本発明が周知の技術の問題を解決するために採用する技術手段は以下のとおりである。該燃料電池の冷却スロットの一側面をファンカバーで被覆し、ファンカバーの中空部にファンを取り付け、該ファンの発生する冷却気流を冷却スロットの冷却気流入口より進入させ、並びに燃料電池の冷却スロットを通過させた後、冷却気流出口より導出する。該燃料電池中の二つの隣り合う燃料電池単電池の陽極導流板と陰極導流板の間に更に温度センサを配置して該燃料電池の温度を検出する。該燃料電池の冷却気流入口の側面にフィルタネットカバーを設け、並びにフィルタネットカバーの中空部中にフィルタネットを配置する。該ファンカバーの外側面に更に導風カバーを設けて該ファンの発生する冷却気流を加湿器に導入し、更に加湿処理した気体を回収管で回収し燃料電池の陰極気体入口に接続する。
請求項１の発明は、複数の燃料電池単電池で組成された燃料電池アセンブリを具えたエア冷却式燃料電池にあって、各燃料電池単電池の間に複数の冷却気体スロットが設けられ、該冷却気体スロットの冷却気流入口が燃料電池アセンブリの一側面に形成され、冷却スロットの冷却気流出口が燃料電池アセンブリの別側面に形成されたエア冷却式燃料電池の冷却装置において、
該燃料電池アセンブリの冷却スロットの冷却気流出口の側面が、ファンカバーで被覆され、並びにファンカバーの中空部に少なくとも一つのファンが取り付けられ、該ファンの発生する冷却気流が冷却スロットの冷却気流入口より進入し、並びに燃料電池アセンブリの冷却スロットを通り、冷却気流出口より導出されることを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置としている。
請求項２の発明は、請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、燃料電池アセンブリ中の燃料電池単電池の陰極導流板とそれに隣接する別の燃料電池単電池の陽極導流板が対向するよう組み合わされて冷却気体スロットが形成されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置としている。
請求項３の発明は、請求項２記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、隣り合う燃料電池単電池の陽極導流板と陰極導流板の間に燃料電池アセンブリの温度を検出する温度センサが配置されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置としている。
請求項４の発明は、請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、各冷却気体スロットの気流入口端と気流出口端に漏斗状の構造が形成されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置としている。
請求項５の発明は、請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、燃料電池アセンブリの冷却気流入口の側面にフィルタネットカバーが設けられ、該フィルタネットカバーの中空部にフィルタネットが配置されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置としている。
請求項６の発明は、請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、燃料電池アセンブリのファンカバー外側面にファンの発生する冷却気流を導入する導風カバーが設けられたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置としている。
請求項７の発明は、請求項６記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、導風カバーが加湿器の気体入口端に接続され、加湿器を通過後の気体が気体出口端より回収管で回収されて燃料電池アセンブリの陰極気体入口に接続されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置としている。
本発明の採用する技術手段により、燃料電池は簡単な構造と簡単な導風の組合せにより、適当な冷却効果を達成し、且つ導風カバー及び加湿器の配置により、冷却気体を陰極気体入口に導入し、更に燃料電池アセンブリ中に送り回収利用の効果を達成する。
図１は本発明の冷却装置と結合されたエア冷却式燃料電池の立体図である。図２は本発明の冷却装置と結合されたエア冷却式燃料電池の立体分解図である。
図示されるように、本発明のエア冷却式燃料電池１は、燃料電池アセンブリ１０を具え、該燃料電池アセンブリ１０の陽極側に陽極集電板１１、陽極絶縁板１２、陽極端板１３が重ね置かれる。該燃料電池アセンブリ１０の陰極側には陰極集電板２１、陰極絶縁板２２、陰極端板２３が重ね置かれる。
該陽極端板１３の上面に陰極気体入口１３１と陰極気体出口１３２が設けられ、陰極反応気体（空気）が該陰極気体入口１３１より送り込まれ、該陽極絶縁板１２の陰極気体入口１２１、陽極集電板１１の陰極気体入口１１１を通り該燃料電池アセンブリ１０の陰極気体入口１０１に進入する。該陰極反応気体は燃料電池アセンブリ１０の内部で反応した後、燃料電池アセンブリ１０の陰極気体出口１０２、陽極集電板１１の陰極気体出口１１２、陽極絶縁板１２の陰極気体出口１２２を通り、陽極端板１３の陰極気体出口１３２より送出される。通常、陽極端板１３の陰極気体入口１３１と陰極気体出口１３２にはそれぞれ陰極気体導入接続管１４１と陰極気体導出接続管１４２が結合されている。
陽極気体（水素ガス）に関しては、該陰極端板２３の適当な位置に陽極気体入口２３１が開設され、陽極気体が前述の気体チャネルの構造と類似の構造を通り燃料電池アセンブリ１０内部に導入されて反応を進行し、最後に陽極端板１３の陽極気体出口１３３より送出される。
図３は図１中の燃料電池１の各組成部品分解時の側面図である。図４は該燃料電池１の各組成部品をアライメントし組み合わせた時の側面図である。該燃料電池１中の燃料電池アセンブリ１０は複数の燃料電池単電池１０ａ、１０ｂ、１０ｃ．．．で構成されている。そのうち、燃料電池単電池１０ａ中には膜電極アセンブリ１０３ａ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｅｓ；ＭＥＡ）があり、それはプロトン交換膜、陽極触媒層、及び陰極触媒層が重畳されてなる。該膜電極アセンブリ１０３ａの陽極側には陽極気体拡散層１０４ａ及び陽極導流板１０５ａがあり、膜電極アセンブリ１０３ａの陰極側には陰極気体拡散層１０６ａ及び陰極導流板１０７ａがある。
同様に、燃料電池単電池１０ｂも膜電極アセンブリ１０３ｂを具え、それはプロトン交換膜、陽極触媒層、及び陰極触媒層が重畳されてなる。該膜電極アセンブリ１０３ｂの陽極側には陽極気体拡散層１０４ｂ及び陽極導流板１０５ｂがあり、膜電極アセンブリ１０３ｂの陰極側には陰極気体拡散層１０６ｂ及び陰極導流板１０７ｂがある。
隣り合う燃料電池単電池の間には複数の冷却気体スロットが設けられ、冷却空気が該燃料電池アセンブリ１０を通過して冷却の機能を達成するのに供される。例えば、図５は図４中の円で囲まれた部分の拡大図であり、それは燃料電池単電池１０ａの陰極導流板１０７ａと隣り合う燃料電池単電池１０ｂの陽極導流板１０５ｂが対向するよう組み合わされて複数の冷却気体スロット３が形成されている。
本考案の設計中、燃料電池アセンブリ１０の冷却気体スロット３の出口端の側面はファンカバー４で被覆され（図６の断面図も参照されたい。）、並びにファンカバー４中に中空部４１が開設され、該中空部４１にファン５が取り付けられている。ファン５が回転する時、燃料電池アセンブリ１０の冷却気体スロット３中に冷却気体流動方向Ｉの冷却気流が発生し、該冷却気流は冷却気流入口Ａ１より燃料電池アセンブリ１０中に進入し、並びに燃料電池アセンブリ１０の冷却気体スロット３を通過した後、冷却気流出口Ａ２より導出され、こうして燃料電池アセンブリ１０が適当な冷却を得られる。
図７も参照されたい。冷却空気に冷却気体スロット３を通過させて良好な導流効果を具備させるため、冷却気体スロット３の冷却気体入口３ａと冷却気体出口３ｂにそれぞれ漏斗状の開口構造が設けられている。
図８は本発明のエア冷却式燃料電池の冷却装置の第２実施例を示し、この実施例中には更にフィルタネット６が設けられ、該フィルタネット６はフィルタネットカバー６１の中空部に取り付けられ、且つフィルタネットカバー６１は該燃料電池アセンブリ１０の冷却気流入口Ａ１の側面を被覆する。この設計により、冷却気流入口Ａ１の導入する冷却気流が先ず該フィルタネット６を通過してから該燃料電池アセンブリ１０中に送り込まれ、灰塵或いは不純物が除去される。
図９は本発明のエア冷却式燃料電池の冷却装置を制御装置（例えば簡単な温度コントローラ）に結合された実施例図である。図示されるように、本実施例は制御装置７を具え、該燃料電池アセンブリ１０中に温度センサ７１が設けられ、その取り付け位置は隣り合う燃料電池アセンブリ１０の間とされて、図５に示されるようであり、該温度センサ７１は燃料電池単電池１０ａの陰極導流板１０７ａと燃料電池単電池１０ｂの陽極導流板１０５ｂの重なり合う接続部分に設けられ、該温度センサ７１は燃料電池アセンブリの操作温度を検出する。
該温度センサ７１の取り付け位置は燃料電池単電池の陰極導流板と燃料電池単電池の陽極導流板の重畳部分に位置するが、当然、その他の適当な位置とされ得て、例えば該燃料電池アセンブリの膜電極アセンブリに接近する位置とされ、いずれも燃料電池アセンブリの操作温度検出の目的を達成できる。
該温度センサ７１の検出した燃料電池アセンブリ温度信号ｓ１は該制御装置７に送られ、該制御装置７は該燃料電池アセンブリ温度によりファン速度制御信号ｓ２をファン５に送り、該ファン５の回転速度を制御する。
更に、該燃料電池アセンブリ１０のファンカバー４の外側面に別に導風カバー８を設置可能であり、且つ該導風カバー８の出口端は加湿器９の気体入口端９１に接続され、ファン５より導出された適当な温度を具えた（例えば摂氏約５５〜６５度）の冷却気体は該導風カバー８を通して加湿器９の気体入口端９１に進入しその相対湿度が増され、更に適当な温度を有して湿度調節済みとされた冷却気体が該加湿器９の気体出口端９２、回収管９３を通り回収され、並びに燃料電池アセンブリ１０の陰極気体導入接続管１４１を通り燃料電池アセンブリ１０中に導入される。
以上の設計により、エア冷却式燃料電池が良好な冷却効果を獲得し、且つ導出される冷却気体が導風カバーを通り加湿器による加湿処理されて、熱回収の効果を達成し、また該エア冷却式燃料電池の運転効率を高める。ゆえに本発明は産業上の利用価値を有し、且つその構造は、その出願前に頒布された刊行物に記載がなく、また製品の公開もされていないため、新規性を有している。
以上の実施例は本発明の請求範囲を限定するものではなく、本発明に基づきなしうる細部の修飾或いは改変は、いずれも本発明の請求範囲に属するものとする。
本発明の冷却装置と結合されたエア冷却式燃料電池の第１実施例の立体図である。 本発明の冷却装置と結合されたエア冷却式燃料電池の立体分解図である。 図１中の燃料電池１の各組成部品分解時の側面図である。 本発明の燃料電池の各組成部品をアライメントし組み合わせた時の側面図である。 図４中のＡ部分の拡大図である。 図１中の６−６断面図である。 本発明中の冷却気体スロットの平面図である。 本発明のエア冷却式燃料電池の冷却装置の第２実施例図である。 本発明のエア冷却式燃料電池の冷却装置に制御装置を結合させた実施例図である。
符号の説明
１ 燃料電池
１０ 燃料電池アセンブリ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 燃料電池単電池
１０１ 陰極気体入口
１０２ 陰極気体出口
１０３ａ 膜電極アセンブリ
１０４ａ 陽極気体拡散層
１０５ａ 陽極導流板
１０６ａ 陰極気体拡散層
１０７ａ 陰極導流板
１０３ｂ 膜電極アセンブリ
１０４ｂ 陽極気体拡散層
１０５ｂ 陽極導流板
１０６ｂ 陰極気体拡散層
１０７ｂ 陰極導流板
１１ 陽極集電板
１１１ 陰極気体入口
１１２ 陰極気体出口
１２ 陽極絶縁板
１２１ 陰極気体入口
１２２ 陰極気体出口
１３ 陽極端板
１３１ 陰極気体入口
１３２ 陰極気体出口
１３３ 陽極気体出口
１４１ 陰極気体導入接続管
１４２ 陰極気体導出接続管
２１ 陰極集電板
２２ 陰極絶縁板
２３ 陰極端板
２３１ 陽極気体入口
３ 冷却気体スロット
３ａ 冷却気体入口
３ｂ 冷却気体出口
４ ファンカバー
４１ 中空部
５ ファン
６ フィルタネット
６１ フィルタネットカバー
７ 制御装置
７１ 温度センサ
８ 導風カバー
９ 加湿器
９１ 気体入口端
９２ 気体出口端
９３ 回収管
Ａ１ 冷却気流入口
Ａ２ 冷却気流出口

Claims (7)

  1. 複数の燃料電池単電池で組成された燃料電池アセンブリを具えたエア冷却式燃料電池にあって、各燃料電池単電池の間に複数の冷却気体スロットが設けられ、該冷却気体スロットの冷却気流入口が燃料電池アセンブリの一側面に形成され、冷却スロットの冷却気流出口が燃料電池アセンブリの別側面に形成されたエア冷却式燃料電池の冷却装置において、 該燃料電池アセンブリの冷却スロットの冷却気流出口の側面が、ファンカバーで被覆され、並びにファンカバーの中空部に少なくとも一つのファンが取り付けられ、該ファンの発生する冷却気流が冷却スロットの冷却気流入口より進入し、並びに燃料電池アセンブリの冷却スロットを通り、冷却気流出口より導出されることを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置。
  2. 請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、燃料電池アセンブリ中の燃料電池単電池の陰極導流板とそれに隣接する別の燃料電池単電池の陽極導流板が対向するよう組み合わされて冷却気体スロットが形成されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置。
  3. 請求項２記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、隣り合う燃料電池単電池の陽極導流板と陰極導流板の間に燃料電池アセンブリの温度を検出する温度センサが配置されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置。
  4. 請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、各冷却気体スロットの気流入口端と気流出口端に漏斗状の構造が形成されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置。
  5. 請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、燃料電池アセンブリの冷却気流入口の側面にフィルタネットカバーが設けられ、該フィルタネットカバーの中空部にフィルタネットが配置されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置。
  6. 請求項１記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、燃料電池アセンブリのファンカバー外側面にファンの発生する冷却気流を導入する導風カバーが設けられたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置。
  7. 請求項６記載のエア冷却式燃料電池の冷却装置において、導風カバーが加湿器の気体入口端に接続され、加湿器を通過後の気体が気体出口端より回収管で回収されて燃料電池アセンブリの陰極気体入口に接続されたことを特徴とする、エア冷却式燃料電池の冷却装置。
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