JP2008300157A - 燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池に熱交換器を一体化した燃料電池ユニットにおいて、簡単な構成で燃料電池の排熱回収効率を高める。
【解決手段】 燃料電池２のセル６を締め付ける締付板７に第一熱交換器３と第二熱交換器４とを一体的に組み付ける。第一熱交換器３に燃料電池２から排出された冷却水Ｗの通路と、貯湯槽８を循環する循環水Ｃ１の通路とを設ける。第二熱交換器４に燃料電池２から排出された空気Ａの通路と、貯湯槽８を循環する循環水Ｃ２の通路とを設ける。熱交換器３，４側の締付板７に燃料電池２から排出された水素ガスＨの流路と排出口４２とを形成し、水素ガスＨの排熱で締付板７を加温し、締付板７の蓄熱で燃料電池２と熱交換器３，４を保温する。熱交換器３，４の取付ベースに水素ガスＨの流路を形成してもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に熱交換器を一体的に組み付けた燃料電池ユニットに関する。

従来、燃料電池ユニットを小型化するために、燃料電池に熱交換器を一体的に組み付ける技術が知られている。例えば、図７に示すように、特許文献１の燃料電池ユニット６１は、燃料電池６２の端面板６３に熱交換器６４を組み付け、熱交換器６４で燃料電池６２を循環する冷却水Ｗ１と放熱用ラジエータ（図示略）を循環する冷却水Ｗ２との熱交換を行うように構成されている。特許文献２には、複数枚の伝熱プレートを積層し、隣接する伝熱プレートの間に一次流体通路と二次流体通路とを形成し、全体を薄く構成したプレート式熱交換器が記載されている。
特開２００３−２１７６２８号公報 特開２００６−６４２８１号公報

ところが、特許文献１の燃料電池ユニット６１は、熱交換器６４が燃料電池６２の排出流体のうち冷却水Ｗ１の熱のみを回収し、空気や水素ガスの熱を回収していないため、燃料電池６２の排熱回収効率が低いという問題点があった。特許文献２のプレート式熱交換器は、ユニットの小型化に適してはいるが、空気流路や水素ガス流路を増設した場合に、伝熱プレートの流路構造がきわめて複雑になる。特に、燃料電池が効率よく運転しているときには、水素ガスの排出量がごく僅かとなるため、水素ガスの排熱回収で得られる利益よりも、水素ガス流路の増設に伴うコストの方が高くつくという問題点があった。

そこで、本発明の目的は、熱交換器を一体化した燃料電池ユニットにおいて、簡単な構成で燃料電池の排熱回収効率を高めることができる装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の燃料電池ユニットは、燃料電池の端面部材に熱交換器を組み付け、熱交換器に燃料電池から排出された冷却水の通路と空気の通路とを設け、燃料電池の端面部材に燃料電池から排出された水素ガスの流路を形成し、水素ガスの熱で燃料電池の端面部材を加温することを特徴とする。

本発明の別の観点による燃料電池ユニットは、燃料電池に熱交換器の端面部材を組み付け、熱交換器に燃料電池から排出された冷却水の通路と空気の通路とを設け、熱交換器の端面部材に燃料電池から排出された水素ガスの流路を形成し、水素ガスの熱で熱交換器の端面部材を加温することを特徴とする。

また、本発明は貯湯槽等の排熱利用機器を含むシステムに好適な燃料電池ユニットを提供する。この燃料電池ユニットは、燃料電池または熱交換器の端面部材に二つの熱交換器を設け、第一熱交換器に燃料電池から排出された冷却水の通路を設け、第二熱交換器に燃料電池から排出された空気の通路を設け、両方の熱交換器に排熱利用機器を循環する循環水の通路を配設したことを特徴とする。

本発明の燃料電池ユニットにおいては、燃料電池から排出された冷却水と空気の熱が熱交換器で回収される。燃料電池から排出された水素ガスは、熱交換器を通過することなく、燃料電池または熱交換器の端面部材に設けた流路を流れ、水素ガスの熱で端面部材が加温され、端面部材の熱で熱料電池または熱交換器が保温される。燃料電池の高効率運転時は水素ガスの排出量が微量となるが、水素ガスの流路を端面部材に形成したので、熱交換器の流路構造を複雑化することなく、水素ガスの排熱を回収できる。従って、本発明の燃料電池ユニットによれば、いたって簡単な構成で燃料電池の排熱を効率よく回収できるという効果がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１〜図３は本発明の実施例１を示し、図１は燃料電池ユニットの全体的な構成を示し、図２は燃料電池ユニットの流体回路を示し、図３は燃料電池側の端面部材を示す。図４〜図６は本発明の実施例２を示し、図４は燃料電池ユニットの全体的な構成を示し、図５は燃料電池ユニットの流体回路を示し、図６は熱交換器側の端面部材を示す。

図１に示すように、実施例１の燃料電池ユニット１は、水素ガス（燃料ガス）Ｈと空気Ａ（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電を行う燃料電池２と、燃料電池２を循環する冷却水Ｗの熱を回収する第一熱交換器３と、燃料電池２から排出された空気Ａの熱を回収する第二熱交換器４と、ユニット１の全体を覆う耐熱樹脂製のケーシング５とから構成されている。

燃料電池２は、積層された複数枚の燃料電池セル６と、燃料電池セル６を燃料電池２の両端側から締め付ける端面部材としての二枚の締付板７とを備えている。一方の締付板７には、第一熱交換器３と第二熱交換器４とが燃料電池２と一体となるように組み付けられている。そして、第一および第二熱交換器３，４が排熱利用機器である貯湯槽８に接続されている。

図２（ａ）に示すように、第一熱交換器３の内部には、燃料電池２を循環する冷却水Ｗが流通する通路１１と、貯湯槽８を循環する循環水Ｃ１が流通する通路１２とが設けられている。第一熱交換器３の外向き端面には、冷却水Ｗの入口１３および出口１４と、循環水Ｃ１の入口１５および出口１６とが配設されている。冷却水Ｗの入口１３および出口１４は冷却水ポンプ１７に接続されている。

図２（ｂ）に示すように、第二熱交換器４の内部には、燃料電池２から排出された空気Ａが流通する通路２１と、貯湯槽８を循環する循環水Ｃ２が流通する通路２２とが設けられている。第二熱交換器４の外向き端面には、空気Ａの入口２３および出口２４と、循環水Ｃ２の入口２５および出口２６とが配設されている。空気Ａの入口２３および出口２４はブロア２７に接続されている。

両方の熱交換器３，４において、循環水Ｃ１，Ｃ２の入口１５，２５は二本の配管２８，２９（図１参照）と一本の外部配管３０とを介して貯湯槽８の出口３１に接続され、循環水Ｃ１，Ｃ２の出口１６，２６は二本の配管３２，３３と一本の外部配管３４とを介して貯湯槽８の入口３５に接続されている。そして、配管２８，２９，３２，３３がケーシング５の内部に収められ、外部配管３０上に循環水ポンプ３６が設けられている。

図２（ｃ）、図３に示すように、水素ガスＨは燃料ポンプ３８によりガス通路３９を通して燃料電池２の各セル６に供給され、余剰の水素ガスＨが熱交換器３，４側の締付板７に排出される。締付板７には、燃料電池２から排出された水素ガスＨが流入する流入口４０と、水素ガスＨを流通させる流路４１と、水素ガスＨを締付板７の周面から排出する排出口４２とが形成されている。なお、排出口４２には水素ガスＨを回収するための配管（図示略）が接続されている。

そして、流路４１は、水素ガスＨが締付板７上に長時間滞留するように、締付板７の全域に拡がる連続溝形に形成され、流路４１を流れる水素ガスＨの排熱で締付板７を加温するように構成されている。なお、流路４１は、図３に示す蛇行形のほか、波形や渦巻形に形成してもよく、締付板７の広い範囲に拡がる凹部としてもよい。また、締付板７にハニカム構造材や多孔性部材を用いて流路４１を形成してもよい。

上記構成の燃料電池ユニット１によれば、次のような作用効果が得られる。
（１）二つの熱交換器３，４が燃料電池２に一体化されているので、燃料電池ユニット１の全体をコンパクトに構成できる。
（２）燃料電池ユニット２の表面積が小さくなり、放熱量が減少するので、燃料電池２および熱交換器３，４の熱効率を高めることができる。
（３）燃料電池ユニット１の全体が耐熱樹脂製のケーシング５で覆われているので、外気温度による影響を抑制できるうえ、燃料電池２および熱交換器３，４の放熱によってケーシング５の内部を保温できる。

（４）燃料電池２から排出された冷却水Ｗは、締付板７の流通穴４３（図３参照）を通って第一熱交換器３の通路１１を流れ、その排熱が循環水Ｃ１に回収され、貯湯槽８で利用される。
（５）燃料電池２から排出された空気Ａは、締付板７の流通穴４４（図３参照）を通って第二熱交換器４の通路２１を流れ、その排熱が循環水Ｃ２に回収され、貯湯槽８で利用される。
（６）熱交換器３，４は燃料電池２に一体化されているので、冷却水Ｗと空気Ａの配管長を短縮し、配管の露出部を少なくして、燃料電池２の排熱を効率よく回収できる。

（７）燃料電池２から排出された水素ガスＨは、締付板７の流入口４０を通って流路４１に流入し、流路４１を流通する過程で、水素ガスＨの排熱により締付板７を加温した後に、熱交換器３，４を通過することなく、排出口４２から回収用配管に排出される。
（８）締付板７の蓄熱が燃料電池２と熱交換器３，４の両方に伝わるので、水素ガスＨの排熱を燃料電池２および熱交換器３，４の保温に有効利用できる。
（９）特に、締付板７から燃料電池２側への伝熱により、締付板７付近の局部的な温度低下を抑え、燃料電池２の温度分布を均一化させ、発電効率を高めることができる。

（１０）冷却水Ｗと空気Ａがそれぞれ別々の熱交換器３，４を流通するので、熱交換器３，４として流路構造が簡略な薄型のプレート式熱交換器を使用でき、燃料電池ユニット１の全長を短縮できる。
（１１）水素ガスＨの排熱が締付板７に回収されるので、冷却水Ｗや空気Ａと比較しごく少量の水素ガスＨのために熱交換器３，４に別途の流路を増設する必要がなくなる。
（１２）従って、簡略な流路構造の熱交換器３，４を用い、セル６を締め付ける締付板７を利用し、ごく簡単な構成で燃料電池２の排熱を総合的に効率よく回収できる。

実施例２の燃料電池ユニット５１は、水素ガスＨの排熱を熱交換器３，４側の端面部材で回収している点において、実施例１の燃料電池ユニット１と相違する。なお、実施例１と同一の部材については、実施例２を示す図４〜図６に実施例１と同一の符号を付して、その説明を省略する。

図４に示すように、実施例２の燃料電池ユニット５１では、第一および第二熱交換器３，４が端面部材としてのベース５２に取り付けられ、ベース５２が断熱材５３を介して燃料電池２の一方の締付板７に組み付けられている。図６に示すように、ベース５２の全周には樹脂製のカバー５４が被せられ、カバー５４に水素ガスＨの流入口５５と排出口５６とが形成されている。

ベース５２にはハニカム構造の剛性板が用いられ、ベース５２の全域に水素ガスＨが流通する流路５７が形成されている。そして、図５に示すように、燃料電池２から排出された水素ガスＨを流路５７に流通させ、水素ガスＨの排熱でベース５２を加温し、ベース５２の蓄熱で熱交換器３，４を保温するように構成されている。断熱材５３はベース５２から締付板７側への伝熱を遮断するように機能する。

従って、実施例２の燃料電池ユニット５１によれば、水素ガスＨの排熱をベース５２で回収し、熱交換器３，４の保温に有効利用することができる。特に、断熱材５３が締付板７側への伝熱を遮断するので、熱交換器３，４の取付部における熱損を抑えることができる。その他の作用効果は実施例１と同じであり、簡単な構成で燃料電池２の排熱回収効率を高めることができる。

本発明は実施例１，２に限定されるものではなく、例えば、実施例１の締付板７にハニカム構造の剛性板を用いたり、実施例２のベース５２に連続溝形の水素ガス流路を形成したり、単一の熱交換器を燃料電池に一体的に組み付けたりするなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の構成や形状を適宜に変更して実施することも可能である。

本発明の実施例１を示す燃料電池ユニットの斜視図である。 該ユニットの流体回路図である。 該ユニットの燃料電池側の端面部材を示す正面図である。 本発明の実施例２を示す燃料電池ユニットの斜視図である。 該ユニットの流体回路図である。 該ユニットの熱交換器側の端面部材を示す正面図である。 従来の燃料電池ユニットを示す斜視図である。

符号の説明

１ 燃料電池ユニット（実施例１）
２ 燃料電池
３ 第一熱交換器
４ 第二熱交換器
５ ケーシング
７ 燃料電池側の端面部材である締付板
８ 排熱利用機器としての貯湯槽
１１ 第一熱交換器の冷却水通路
１２ 第一熱交換器の循環水通路
２１ 第二熱交換器の冷却水通路
２２ 第二熱交換器の循環水通路
４１ 締付板の水素ガス流路
５１ 燃料電池ユニット（実施例２）
５２ 熱交換器側の端面部材であるベース
５３ 断熱材
５７ ベースの水素ガス流路
Ａ 空気
Ｈ 水素ガス
Ｗ 冷却水
Ｃ１，Ｃ２ 循環水

Claims (3)

1. 燃料電池の端面部材に熱交換器を組み付け、熱交換器に燃料電池から排出された冷却水の通路と空気の通路とを設け、前記端面部材に燃料電池から排出された水素ガスの流路を形成し、水素ガスの熱で該端面部材を加温することを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 燃料電池に熱交換器の端面部材を組み付け、熱交換器に燃料電池から排出された冷却水の通路と空気の通路とを設け、前記端面部材に燃料電池から排出された水素ガスの流路を形成し、水素ガスの熱で該端面部材を加温することを特徴とする燃料電池ユニット。
3. 前記端面部材に二つの熱交換器を設け、第一熱交換器に冷却水の通路を設け、第二熱交換器に空気の通路を設け、両方の熱交換器に排熱利用機器を循環する循環水の通路を配設したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池ユニット。

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