JP4656826B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池に関し、とくに単位燃料電池を積層した積層型燃料電池の冷却構造に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a cooling structure for a stacked fuel cell in which unit fuel cells are stacked.
従来の積層型燃料電池の冷却法は、図2の冷却水通路模式図に示すように、積層された各セル(単位燃料電池)間の冷媒流路26に冷媒(通常は、冷却水)を通すことにより、各セル19の温度を制御する。セル積層方向端部のセル19Aの両面にも冷却水を流すが、端部セル19Aに隣接する片側部分(ターミナル)は発熱せず、端部セルの熱は該セルを押さえて電流を取り出すターミナルを介して外に奪われてしまうため、端部セル19Aはセル積層方向中央部のセルに比較して温度が低くなってしまう。
従来の積層型燃料電池スタック内の、セル積層方向位置によってセル内を流れる冷却水の温度の変化を、図11の破線で示す。
従来は、端部セル19Aの温度が他のセルの温度より低いために、発電が活発でなくなるという問題があった。
さらに、燃料電池内の水分量が多い場合には、温度が低い端部セル19A内において飽和蒸気圧が低くなるため、結露水が増大することにより液体の水分が充満し、セル内に燃料ガスが十分いきわたらなくなり、発電が阻害され、ひいてはそのセルの電圧低下を招くという問題があった。
As shown in the schematic diagram of the cooling water passage shown in FIG. 2, the conventional method for cooling a stacked fuel cell is to supply a refrigerant (usually cooling water) to the
A change in the temperature of the cooling water flowing in the cells depending on the position in the cell stacking direction in the conventional stacked fuel cell stack is shown by a broken line in FIG.
Conventionally, since the temperature of the
Further, when the amount of water in the fuel cell is large, the saturated vapor pressure is lowered in the
特開2001−68141号公報は、端部のセルの温度を中央部のセルの温度と均一化するために、いったん各セルを冷却した水の全量を端部のセルに流す方法を提案している。しかし、この方法は冷却水の「全量」を端部セルに流すため、その圧力損失が多く、冷却水循環ポンプの動力損失が多いという問題があった。
また、特開2001−68141号公報の冷却水通路構造は、冷却水の燃料電池スタックへの供給口とスタックの各セルから集積した冷却水の出口とは、スタックのセル積層方向の互いに反対側の端部に設けられており、その後端部セルに循環するために、各セルへの冷却水の流量の分配が均一になりにくいという問題もあった。
Further, in the cooling water passage structure of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-68141, the supply port of the cooling water to the fuel cell stack and the outlet of the cooling water accumulated from each cell of the stack are opposite to each other in the stacking direction of the cells Since it is provided at the end of the gas and circulates to the rear end cell, there is also a problem that the distribution of the flow rate of the cooling water to each cell is difficult to be uniform.
本発明が解決しようとする問題点は、いったん各セルを冷却した水の全量を端部のセルに流す従来構造では、圧力損失が多く、冷却水循環ポンプの動力損失が多いという問題である。
本発明が解決しようとするもう一つの問題点は、冷却水の供給口と出口とがスタックの互いに反対側に設けられている従来構造では、各セルへの冷却水の流量の分配が均一になりにくいという問題である。
The problem to be solved by the present invention is that the conventional structure in which the total amount of water once cooled in each cell is passed to the end cell has a large pressure loss and a large power loss of the cooling water circulation pump.
Another problem to be solved by the present invention is that in the conventional structure in which the cooling water supply port and the outlet are provided on opposite sides of the stack, the distribution of the cooling water flow rate to each cell is uniform. It is a problem that it is difficult to become.
本発明の目的は、いったん各セルを冷却した水を端部のセルに流しても圧力損失を小さくできる冷媒流路構造をもった燃料電池を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は、冷却水の各セルへの分配を均一化できる冷媒流路構造をもった燃料電池を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a fuel cell having a refrigerant flow path structure that can reduce pressure loss even if water that has once cooled each cell is allowed to flow through the end cell.
Another object of the present invention is to provide a fuel cell having a refrigerant flow path structure that can uniformly distribute cooling water to each cell.
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
(1) 電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の冷媒流路と、を備え、前記供給路に接続される前記冷媒流路のうち、前記単位燃料電池の積層方向の、外部より冷媒が供給される前記供給路の入口に近い冷媒流路ほど、前記冷媒流路に接続される前記排出路の外部への出口に近いように配置した燃料電池。
(2) 前記第2の冷媒流路の、前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する流路部分は、単位燃料電池積層方向の少なくとも一端部に位置する燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む(1)記載の燃料電池。
(3) 積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池には、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせた(1)記載の燃料電池。
(4) 前記第2の冷媒流路は、前記排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、前記排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続している(1)記載の燃料電池。
(5) 前記第2の冷媒流路が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第1の流路部分と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の流路部分と、前記第1の流路部分と前記第2の流路部分を連通する第3の流路部分を含んでおり、前記第3の流路部分は、前記排出路とは別の通路でかつ前記積層された複数の単位燃料電池の中に形成された通路である(4)記載の燃料電池。
(6) 前記第2の冷媒流路が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第1の流路部分と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の流路部分と、前記第1の流路部分と前記第2の流路部分を連通する第3の流路部分を含んでおり、前記第3の流路部分は、前記排出路とは別の通路でかつ前記積層された複数の単位燃料電池の外に管路として形成された通路である(4)記載の燃料電池。
(7) 単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの供給路への冷媒の入口および各スタックの排出路からの冷媒の出口を、複数のスタックに対して共通化した(1)または(4)記載の燃料電池。
(8) 単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの、スタック間側の端部燃料電池には第2の冷媒流路を通さないようにした(1)記載の燃料電池。
(9) 前記第2の冷媒流路は、前記排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも1つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している(1)記載の燃料電池。
(10) 電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の冷媒流路と、を備え、前記第2の冷媒流路の、前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する流路部分は、単位燃料電池積層方向の少なくとも一端部に位置する燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む燃料電池。
(11) 電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の冷媒流路と、を備え、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池には、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせた燃料電池。
(12) 電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の冷媒流路と、を備え、前記第2の冷媒流路は、前記排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、前記排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続している燃料電池。
(13) 電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の冷媒流路と、を備え、単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの供給路への冷媒の入口および各スタックの排出路からの冷媒の出口を、複数のスタックに対して共通化した燃料電池。
(14) 電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の冷媒流路と、を備え、単位燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触させて配置し、各スタックの、スタック間側の端部燃料電池には第2の冷媒流路を通さないようにした燃料電池。
(15) 電解質を挟持した一対の電極とセパレータとを有する単位燃料電池を複数積層した燃料電池であって、外部より前記複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路と、該供給路に接続し前記単位燃料電池間に前記冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路と、該冷媒流路に接続し外部へ前記冷媒を流出させる排出路と、該排出路から分岐して前記冷媒流路から前記排出路に流入する冷媒の一部を分流し前記積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の冷媒流路と、を備え、前記第2の冷媒流路は、前記排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも1つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している燃料電池。
The present invention for achieving the above object is as follows.
(1) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells each having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte and a separator are stacked, a supply path for supplying a refrigerant from the outside in the stacking direction of the plurality of unit fuel cells, and the supply A refrigerant flow path for connecting the refrigerant between the unit fuel cells and exchanging heat between the refrigerant and the unit fuel cell; a discharge path connected to the refrigerant flow path for allowing the refrigerant to flow out; and the discharge Heat exchange with at least one unit fuel cell arranged at least at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells by diverting a part of the refrigerant branched from the path and flowing into the discharge path from the coolant channel to a second refrigerant flow path, it comprises a, of the refrigerant flow path connected to the supply passage, the stacking direction of the unit fuel cell, the coolant is close to the inlet of the supply passage in which the refrigerant from the outside is supplied The more the channel, the more the coolant channel It arranged the fuel cell as close to the outlet to the outside of the discharge path to be continued.
( 2 ) The flow path portion for exchanging heat with at least one unit fuel cell disposed at least at one end of the stacked unit fuel cell in the stacking direction of the stacked unit fuel cells in the second refrigerant channel is a unit fuel cell stacking direction. (1) Symbol mounting a fuel cell including the fuel plate groove formed other than the battery in contact with the fuel cell positioned along at least one end of the.
(3) at least one unit fuel cell disposed at one end of the stacking direction of the stacked unit fuel cells, without remembering function of power, remembering only the temperature adjustment function of the refrigerant (1) Symbol placement Fuel cell.
(4) No second refrigerant flow path is branched from the unit fuel cell stacking direction end portion of the discharge passage is connected to the unit fuel cell stacking direction other end portion of the discharge channel (1) Symbol placement Fuel cell.
( 5 ) The second refrigerant flow path includes a first flow path portion that exchanges heat with at least one unit fuel cell disposed at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells, and a stacked unit. A second flow path portion for exchanging heat with at least one unit fuel cell disposed at the other end of the fuel cell in the stacking direction; and a first flow path portion communicating with the first flow path portion and the second flow path portion. 3, wherein the third flow path part is a path different from the discharge path and formed in the stacked unit fuel cells ( 4 ). The fuel cell as described.
( 6 ) The second refrigerant flow path includes a first flow path portion that exchanges heat with at least one unit fuel cell disposed at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells, and a stacked unit. A second flow path portion for exchanging heat with at least one unit fuel cell disposed at the other end of the fuel cell in the stacking direction; and a first flow path portion communicating with the first flow path portion and the second flow path portion. 3, and the third flow path part is a path different from the discharge path and formed as a pipe line outside the plurality of stacked unit fuel cells. ( 4 ) The fuel cell as described.
( 7 ) A plurality of fuel cell stacks in which a plurality of unit fuel cells are stacked are arranged in series and in contact with each other in the unit fuel cell stacking direction, and the refrigerant inlet to the supply path of each stack and the discharge path of each stack the outlet of the refrigerant, common to the (1) or (4) Symbol mounting the fuel cell to a plurality of stacks.
( 8 ) A plurality of fuel cell stacks in which a plurality of unit fuel cells are stacked are arranged in series and in contact with each other in the unit fuel cell stacking direction. fuel cells that do not pass through the flow channel (1) Symbol placement.
( 9 ) The second refrigerant flow path is from the outlet of the refrigerant flow path between at least one unit fuel cell at one end of the discharge path in the unit fuel cell stacking direction and the unit fuel cell adjacent thereto. branches from sites distant to the unit fuel cell stacking direction central portion (1) Symbol mounting the fuel cell.
(10) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells each having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte and a separator are stacked, a supply path for supplying a refrigerant from outside to a stacking direction of the plurality of unit fuel cells, and the supply A refrigerant flow path for connecting the refrigerant between the unit fuel cells and exchanging heat between the refrigerant and the unit fuel cell; a discharge path connected to the refrigerant flow path for allowing the refrigerant to flow out; and the discharge Heat exchange with at least one unit fuel cell arranged at least at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells by diverting a part of the refrigerant branched from the path and flowing into the discharge path from the coolant channel A flow for heat exchange with at least one unit fuel cell disposed at least at one end of the second refrigerant channel in the stacking direction of the stacked unit fuel cells. Road part is unit A fuel cell comprising a groove formed in a plate other than a fuel cell that contacts a fuel cell located at least at one end in the fuel cell stacking direction.
(11) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte and a separator are stacked, a supply path for supplying refrigerant from the outside in the stacking direction of the plurality of unit fuel cells, and the supply A refrigerant flow path for connecting the refrigerant between the unit fuel cells and exchanging heat between the refrigerant and the unit fuel cell; a discharge path connected to the refrigerant flow path for allowing the refrigerant to flow out; and the discharge Heat exchange with at least one unit fuel cell arranged at least at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells by diverting a part of the refrigerant branched from the path and flowing into the discharge path from the coolant channel And at least one unit fuel cell disposed at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells without having a function of generating power, and a temperature adjusting function using the coolant Only Fuel cell.
(12) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte and a separator are stacked, a supply path for supplying refrigerant from the outside in the stacking direction of the plurality of unit fuel cells, and the supply A refrigerant flow path for connecting the refrigerant between the unit fuel cells and exchanging heat between the refrigerant and the unit fuel cell; a discharge path connected to the refrigerant flow path for allowing the refrigerant to flow out; and the discharge Heat exchange with at least one unit fuel cell arranged at least at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells by diverting a part of the refrigerant branched from the path and flowing into the discharge path from the coolant channel A second refrigerant flow path that branches from one end of the discharge path in the unit fuel cell stacking direction and is connected to the other end of the discharge path in the unit fuel cell stacking direction. Fuel cell.
(13) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells each having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte and a separator are stacked, a supply path for supplying a refrigerant from the outside in a stacking direction of the plurality of unit fuel cells, and the supply A refrigerant flow path for connecting the refrigerant between the unit fuel cells and exchanging heat between the refrigerant and the unit fuel cell; a discharge path connected to the refrigerant flow path for allowing the refrigerant to flow out; and the discharge Heat exchange with at least one unit fuel cell arranged at least at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells by diverting a part of the refrigerant branched from the path and flowing into the discharge path from the coolant channel A plurality of fuel cell stacks in which a plurality of unit fuel cells are stacked in series and in contact with each other in the unit fuel cell stacking direction. Entrance and each star A fuel cell in which the outlet of the refrigerant from the stack discharge path is shared by multiple stacks.
(14) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells each having a pair of electrodes sandwiching an electrolyte and a separator are stacked, a supply path for supplying a refrigerant from the outside in a stacking direction of the plurality of unit fuel cells, and the supply A refrigerant flow path for connecting the refrigerant between the unit fuel cells and exchanging heat between the refrigerant and the unit fuel cell; a discharge path connected to the refrigerant flow path for allowing the refrigerant to flow out; and the discharge Heat exchange with at least one unit fuel cell arranged at least at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells by diverting a part of the refrigerant branched from the path and flowing into the discharge path from the coolant channel A plurality of fuel cell stacks in which a plurality of unit fuel cells are stacked in series, in contact with each other in the unit fuel cell stacking direction, and an end of each stack on the side between the stacks. Some fuel cells A fuel cell in which the second refrigerant channel is not passed.
(15) A fuel cell in which a plurality of unit fuel cells each having a pair of electrodes and separators sandwiching an electrolyte are stacked, the supply path supplying refrigerant from the outside in the stacking direction of the plurality of unit fuel cells, and the supply A refrigerant flow path for connecting the refrigerant between the unit fuel cells and exchanging heat between the refrigerant and the unit fuel cell; a discharge path connected to the refrigerant flow path for allowing the refrigerant to flow out; and the discharge Heat exchange with at least one unit fuel cell arranged at least at one end in the stacking direction of the stacked unit fuel cells by diverting a part of the refrigerant branched from the path and flowing into the discharge path from the coolant channel A second refrigerant flow path, wherein the second refrigerant flow path includes at least one unit fuel cell at one end of the discharge path in the unit fuel cell stacking direction and a unit fuel cell adjacent thereto. The refrigerant flow path between A fuel cell that branches off from a portion that is separated from the mouth toward the center side of the unit fuel cell stacking direction.
上記(1)の燃料電池によれば、排出される冷媒の「一部」を利用して積層方向端部に配置される単位燃料電池をあたためることができるので、圧損を抑制でき、かつ、端部に配置される単位燃料電池の温度低下を防止することができる。
上記(1)の燃料電池によれば、冷媒が流れ難い供給路入口に近い冷媒流路ほど、排出路の出口に近いように配置されるので、供給路入口に近い冷媒流路の冷媒の流れを流れ易くすることができ、単位燃料電池の冷媒の流れを均一化することができる。
上記(2)と(10)の燃料電池によれば、端部の単位燃料電池と熱交換する流路部分が、該単位燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含むので、端部の単位燃料電池の流路構造を中央の単位燃料電池の流路構造と同じにすることができ、圧損低下のために特別に端部単位燃料電池の溝幅や溝深さを増大させる必要はない。
上記(3)と(11)の燃料電池によれば、端部単位燃料電池を発電機能をもたされていないダミーとした場合は、温度が高くなっている冷媒を流した場合に、端部単位燃料電池での発熱が加わった時に、端部単位燃料電池の温度が逆に他の単位燃料電池の温度より上がるようなことが起こることを防止することができる。
上記(4)と(12)の燃料電池によれば、冷媒流路が、排出路の単位燃料電池積層方向一端部から分岐し、排出路の単位燃料電池積層方向他端部に接続しているので、積層方向両端部にある単位燃料電池をあたためることができる。
上記(5)の燃料電池によれば、第3の流路部分が、積層された複数の単位燃料電池の中に形成された通路であるので、配管の取回しが複雑化しない。
上記(6)の燃料電池によれば、第3の流路部分が、積層された複数の単位燃料電池の外に管路として形成された通路であるので、中央単位燃料電池のセパレータに、副流路を設ける必要がなく、セパレータの設計変更を最少とすることができる。
上記(7)と(13)の燃料電池によれば、燃料電池スタックを、複数、直列に配置し、冷媒の入口、出口をスタック間エンドプレートに設けたので、冷媒の入口、出口を共通化でき、冷却構造を単純化できる。
上記(8)と(14)の燃料電池によれば、燃料電池スタックを、複数、直列に配置したので、スタック間側は熱の逃げ場がなくあたためなくてよく、スタック間に近い側の端部単位燃料電池に第2の冷媒通路を通すことを省略することができ、冷却構造を単純化できる。
上記(9)と(15)の燃料電池によれば、第2の冷媒流路が、排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも1つの単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐しているので、排出路の、単位燃料電池積層方向一端部にある単位燃料電池とそれに隣接する単位燃料電池との間の冷媒流路の出口部位から分岐する場合よりも、温度の高い冷媒を第2の冷媒流路に分流させることができる。
According to the fuel cell of the above (1), the unit fuel cell disposed at the end portion in the stacking direction can be warmed using “part” of the discharged refrigerant, so that pressure loss can be suppressed and It is possible to prevent a temperature drop of the unit fuel cell disposed in the section.
According to the fuel cell of the above ( 1 ), the refrigerant flow path closer to the supply path entrance where the refrigerant hardly flows is arranged closer to the outlet of the discharge path, so that the refrigerant flow in the refrigerant flow path closer to the supply path entrance The flow of the refrigerant in the unit fuel cell can be made uniform.
According to the fuel cells of the above ( 2) and (10) , the flow path portion for exchanging heat with the unit fuel cell at the end includes a groove formed in a plate other than the fuel cell in contact with the unit fuel cell. The channel structure of the end unit fuel cell can be made the same as the channel structure of the central unit fuel cell, and the groove width and depth of the end unit fuel cell are specially increased to reduce the pressure loss. There is no need to let them.
According to the fuel cells of ( 3) and (11) above, when the end unit fuel cell is a dummy that does not have a power generation function, when the coolant having a high temperature is passed, When heat is generated in the unit fuel cell, it can be prevented that the temperature of the end unit fuel cell is raised more than the temperature of other unit fuel cells.
According to the fuel cells of ( 4) and (12) above, the refrigerant flow path branches off from one end of the discharge path in the unit fuel cell stacking direction and is connected to the other end of the discharge path in the unit fuel cell stacking direction. Therefore, the unit fuel cells at both ends in the stacking direction can be warmed.
According to the fuel cell of ( 5 ), since the third flow path portion is a passage formed in the stacked unit fuel cells, the piping operation is not complicated.
According to the fuel cell of the above ( 6 ), the third flow path portion is a passage formed as a pipe line outside the plurality of unit fuel cells that are stacked. There is no need to provide a flow path, and the design change of the separator can be minimized.
According to the fuel cells of ( 7) and (13) above, a plurality of fuel cell stacks are arranged in series, and the refrigerant inlet and outlet are provided on the end plate between the stacks, so the refrigerant inlet and outlet are shared. And the cooling structure can be simplified.
According to the fuel cells of the above ( 8) and (14) , since a plurality of fuel cell stacks are arranged in series, the side between the stacks does not have a heat escape place and does not need to be heated. Passing the second refrigerant passage through the unit fuel cell can be omitted, and the cooling structure can be simplified.
According to the fuel cells of ( 9) and (15) above, the second refrigerant flow path includes at least one unit fuel cell at one end of the discharge path in the unit fuel cell stacking direction and a unit fuel cell adjacent thereto. Branching from a portion separated from the outlet of the refrigerant flow path between the unit fuel cell stacking direction central portion side, so that the unit fuel cell at one end of the unit fuel cell stacking direction of the discharge path and the unit adjacent thereto The refrigerant having a higher temperature can be diverted to the second refrigerant flow path than when branching from the outlet portion of the refrigerant flow path between the fuel cell and the fuel cell.
以下に、本発明の燃料電池の制御方法を図1−図13を参照して説明する。ただし、図2、図3は比較例であり、本発明には含まない。また、図12、図13は燃料電池の一般構造を示し、本発明にも適用可能である。
図1、図4−6は本発明の実施例1の燃料電池を示し、図7は本発明の実施例2の燃料電池を示し、図8は本発明の実施例3の燃料電池を示し、図9は本発明の実施例4の燃料電池を示し、図10は本発明の実施例5の燃料電池を示す。図11は本発明と比較例との燃料電池の温度分布を示す。
本発明の全実施例に共通する、または類似する部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
Below, the control method of the fuel cell of this invention is demonstrated with reference to FIGS. However, FIGS. 2 and 3 are comparative examples and are not included in the present invention. 12 and 13 show the general structure of the fuel cell, which can also be applied to the present invention.
1 and 4-6 show a fuel cell of Example 1 of the present invention, FIG. 7 shows a fuel cell of Example 2 of the present invention, FIG. 8 shows a fuel cell of Example 3 of the present invention, FIG. 9 shows a fuel cell according to Embodiment 4 of the present invention, and FIG. 10 shows a fuel cell according to Embodiment 5 of the present invention. FIG. 11 shows the temperature distribution of the fuel cell of the present invention and the comparative example.
Portions common to or similar to all the embodiments of the present invention are denoted by the same reference numerals throughout the embodiments of the present invention.
まず、本発明の全実施例に共通する、または類似する部分の構成と作用、効果を図1、図4−6、図11、図12、図13を参照して説明する。
本発明で対象となる燃料電池10は、単位燃料電池19を積層した積層型燃料電池であり、たとえば積層型の固体高分子電解質型燃料電池である。該燃料電池1は、たとえば燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。
First, the configuration, operation, and effect of the parts that are common to or similar to all the embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 4-6, 11, 12, and 13.
The
燃料電池10、たとえば積層型の固体高分子電解質型燃料電池は、図12、図13に示すように、膜−電極アッセンブリ(MEA:Membrane-Electrode Assembly )とセパレータ18とを有する単位燃料電池19(「単電池」、「単セル」ともいう)を積層したものからなる。積層方向は任意である。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜(「電解質」ともいう)11とこの電解質膜11の一面に配置された触媒層12からなる電極(アノード14、燃料極)および電解質膜11の他面に配置された触媒層15からなる電極(カソード17、空気極)とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ18との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層13、16が設けられる。セパレータ18には、アノードに燃料ガス(水素)を供給するための燃料ガス流路27が形成され、カソードに酸化ガス(酸素、通常は空気)を供給するための酸化ガス流路28が形成されている。また、セパレータ18には冷媒(通常、冷却水)を流すための冷媒流路26も形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータを重ねてセル19を構成し、少なくとも1つのセルからモジュールを構成し、モジュールを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル20、インシュレータ21、エンドプレート22を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、セル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材(たとえば、テンションプレート24)、ボルト・ナット25にて固定して、スタック23を構成する。
As shown in FIGS. 12 and 13, the
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン(プロトン)と電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子(隣りのMEAのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる)から水を生成するつぎの反応が行われる。 In each cell, a reaction for converting hydrogen into hydrogen ions (protons) and electrons is performed on the anode side, and the hydrogen ions move through the electrolyte membrane to the cathode side. On the cathode side, oxygen, hydrogen ions, and electrons (neighboring MEA) Next, the following reaction is performed to generate water from electrons generated at the anode of the first electrode through the separator or electrons generated at the anode of the cell at one end in the cell stacking direction through the external circuit to the cathode of the other cell.
アノード側:H2 →2H+ +2e-
カソード側:2H+ +2e- +(1/2)O2 →H2 O
セルの発電反応およびジュール熱によりセル温度が上昇するので、燃料電池は冷媒流路26を流れる冷媒により冷却される。温度が高すぎると膜11が損傷し、温度が低すぎると発電が不活発となるので、適切な温度に冷却される必要がある。冷媒は燃料電池外から入側冷媒マニホールド(「供給路」ともいう)29aに供給され、入側冷媒マニホールド29aからセル間の冷媒流路26に分配されて入り、セルと熱交換して温度上昇した冷媒は冷媒流路26から出側冷媒マニホールド(「排出路」ともいう)29bに流入して集合し、出側冷媒マニホールド29bから燃料電池外に流出する。同様に、燃料ガスは入側燃料ガスマニホールド30aから燃料ガス流路27を通って出側燃料ガスマニホールド30bに流れ、酸化ガスは入側酸化ガスマニホールド31aから酸化ガス流路28を通って出側酸化ガスマニホールド31bに流れる。
Anode side: H 2 → 2H + + 2e −
Cathode side: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
Since the cell temperature rises due to the power generation reaction and Joule heat of the cell, the fuel cell is cooled by the refrigerant flowing through the
従来の積層型燃料電池では、単位燃料電池積層方向端部にある単位燃料電池19Aの温度がそれより中央部側の単位燃料電池19の温度より低くなる(図11の破線)。
端部にある単位燃料電池19Aの温度を中央部側の単位燃料電池19の温度に近づけ、単位燃料電池19Aを含む全単位燃料電池の温度が均一化される(図11の実線)ように、本発明の燃料電池10は、外部より複数の単位燃料電池の積層方向へ冷媒を供給する供給路29aと、該供給路29aに接続し単位燃料電池間に冷媒を通し冷媒と単位燃料電池との熱交換を行う冷媒流路26と、該冷媒流路26に接続し外部へ冷媒を流出させる排出路29bとからなる第1の冷媒流路40を備えているとともに、該排出路29bから分岐(分岐部は排出路29bの端部または端部から単位燃料電池積層方向に中央側に離れた部位)して冷媒流路26から排出路29bに流入する冷媒の一部を分流し積層された単位燃料電池の積層方向の少なくとも一端部(一端部だけでもよいし、両端部でもよい)に配置された少なくとも1つ(端部にある「複数」のセルでもよい)の単位燃料電池19Aと熱交換する第2の冷媒流路50を備えている。
In the conventional stacked fuel cell, the temperature of the
The temperature of the
また、供給路29aに接続される冷媒流路26のうち、単位燃料電池の積層方向の、外部より冷媒が供給される供給路29aの入口29aiに近い冷媒流路26ほど、冷媒流路26に接続される排出路29bの外部への出口29boに近いように配置される。
外部から供給路29aへの冷媒入口と、排出路29bから外部への冷媒出口とは、スタック23の単位燃料電池積層方向同じ側に設けられる。
Further, among the
The refrigerant inlet from the outside to the
第2の冷媒流路50を通って冷媒の一部が流れるように、第2の冷媒流路50の排出路29bからの分岐部と、該分岐部より冷媒流れ方向下流にある、排出路29bを流れる冷媒(第2の冷媒流路50を流れる冷媒以外の冷媒)との合流部との間の、第2の冷媒流路50の圧力損失は、排出路29bを流れる冷媒(第2の冷媒流路50を流れる冷媒以外の冷媒)の、上記分岐部と上記合流部との間の圧力損失よりも小さくしてある。これは、図1の例では、図1において、副出口マニホールド50の圧力の左下がりの実線の傾斜が、出口マニホールド29bの圧力の左下がりの実線の傾斜より緩やかで、かつ、副出口マニホールド50の冷媒入口では副出口マニホールド50の圧力が出口マニホールド29bの圧力より小で、副出口マニホールド50の冷媒出口では副出口マニホールド50の圧力が出口マニホールド29bの圧力より大であることに、対応している。
A branch portion from the
また、端部単位燃料電池19Aを流れる冷媒は、中央部の単位燃料電池19の冷媒流路26を通過した後のある程度温度が高くなった冷媒であるため、単純にその冷媒を端部単位燃料電池19Aの熱交換部に通過させると、逆に端部単位燃料電池19Aの温度が中央部位単位燃料電池19の温度より高くなってしまうおそれがあるため、端部単位燃料電池19Aの冷媒流量が他の単位燃料電池19の1枚当たりの流量より多くなるように、通路断面積を他の単位燃料電池19の冷媒流路26の通路断面積より大としてある。これは、図4、図5の例では、図5の端部位単位燃料電池19Aの冷媒流路26の溝幅が,図4の中央部位単位燃料電池19の冷媒流路26の溝幅より大としてあることに対応する。図5の端部位単位燃料電池19Aの冷媒流路26の溝幅を大とすることに代えて、図5の端部位単位燃料電池19Aの冷媒流路26の溝幅を他のセルの冷媒流路26の溝幅と同じにし、かつ、端部位単位燃料電池19Aに接する燃料電池以外のプレート(たとえば、ターミナル)に冷媒流路を形成して、この冷媒流路と端部位単位燃料電池19Aの冷媒流路の和の通路断面積が他のセルの冷媒流路26の通路断面積より大としてもよい。
Further, the refrigerant flowing through the end
また、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池19Aには、発電する機能をもたせずに、冷媒による温度調整機能だけをもたせてもよい。
Further, at least one
本発明の全実施例に共通する、または類似する上記部分の燃料電池10の作用、効果を説明する。
上記燃料電池10では、冷媒流路26から排出路29bに排出される、冷媒流路26における単位燃料電池との熱交換によってあたためられた冷媒を、第2の冷媒流路50にまわして、積層方向端部に配置される単位燃料電池19Aをあたためるので、図11に実線で示すように、端部に配置される単位燃料電池19Aの温度低下が防止される。このため、端部単位燃料電池19Aでターミナルなどに熱が伝達しても端部単位燃料電池19Aの温度が中央部の単位燃料電池19より低くなりにくく、図11の実線に示すように、端部単位燃料電池19Aの温度は中央部の単位燃料電池19の冷媒流路26の温度とほぼ同じに維持される。
この場合、冷媒流路26から排出路29bに排出される冷媒の「一部」のみを第2の冷媒流路50にまわして、積層方向端部に配置される単位燃料電池19Aをあたためるので、冷媒流路26から排出路29bに排出される冷媒の全量を利用して端部に配置される単位燃料電池19Aをあたためる場合よりも、冷媒の流れの圧損を抑制でき、冷媒循環ポンプの動力損失を低減することができる。
The operation and effect of the
In the
In this case, only a “part” of the refrigerant discharged from the
また、冷媒が流れ難い供給路入口29aiに近い冷媒流路26ほど、排出路の外部への出口29boに近いように配置されるので、供給路入口29aiに近い冷媒流路26の冷媒の流れを流れ易くすることができ、全単位燃料電池19、19Aにわたって、冷媒流路26を流れる冷媒の流量を均一化することができる。
冷媒の供給路入口29aiと冷媒の排出路出口29boがスタック23の単位燃料電池積層方向同じ側にあるので、排出路(出側冷媒マニホールド)29b内圧力が、図1の左下がりの実線となり、冷媒流路26の入口、出口の差圧が全単位燃料電池19、19Aにわたって均一化し、冷媒流路26を流れる冷媒の流量を均一化することができる。図1の左下がりの実線で示す本発明では、供給路入口29aiに近い冷媒流路26の出入り口間圧力差は大きく、供給路入口29aiに近い冷媒流路26には冷媒が流れやすい。これによって、燃料電池全体を適切な活性化温度に維持でき、電池性能を改善できるとともに、全単位燃料電池にわたって飽和蒸気圧を適切に保つことができフラッディングが生じにくいようにすることができる。
Further, since the
Since the refrigerant supply passage inlet 29ai and the refrigerant discharge passage outlet 29bo are on the same side of the
また、端部の単位燃料電池と熱交換する流路部分が、該単位燃料電池と接触する燃料電池以外の板に形成された溝を含む場合は、端部の単位燃料電池19Aの流路構造を中央の単位燃料電池19の流路構造と同じにすることができ、圧損低下のために特別に端部単位燃料電池19Aの溝幅や溝深さを増大させる必要はない。これによって、セル構造を単純なものにすることができる。
また、端部単位燃料電池19Aを発電機能をもたされていないダミーとした場合は、端部単位燃料電池19Aの温度が逆に他のセルの温度より上昇することを防止することができる。
Further, in the case where the channel portion that exchanges heat with the unit fuel cell at the end includes a groove formed in a plate other than the fuel cell that contacts the unit fuel cell, the channel structure of the
Further, when the end
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分の構成と作用、効果を説明する。
本発明の実施例1の燃料電池10では、図1、図4−図6に示すように、第2の冷媒流路50は、排出路29bの単位燃料電池積層方向の一端部から分岐し、排出路29bの単位燃料電池積層方向の他端部に接続している。
Next, the configuration, operation, and effects of the parts unique to each embodiment of the present invention will be described.
In the
第2の冷媒流路50が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池19Aと熱交換する第1の流路部分51と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の流路部分52と、第1の流路部分51と第2の流路部分52を連通する第3の流路部分53を含んでいる。
第3の流路部分53は単位燃料電池集積体の中に形成される場合は、第3の流路部分53は、排出路26bとは別の通路で、かつ、各単位燃料電池19、19Aを貫通して単位燃料電池積層方向に延びる副出口マニホールド53からなる。
The second
When the third
図4の単位燃料電池積層方向中央部の単位燃料電池19では、副出口マニホールド53は単に単位燃料電池19を貫通しているだけで、単位燃料電池間の冷媒流路26への冷媒の流出入はない。図5の単位燃料電池積層方向端部の単位燃料電池19Aでは、供給路29aはセル面の冷媒流路26への冷媒の流出入はせず、副出口マニホールド53に接続されている。なお、図5の単位燃料電池19Aの第1、第2の流路部分51、52(他のセルの冷媒流路26に対応する流路部分)は、図4の中央部単位燃料電池19の冷媒流路26より、少ない通路抵抗になるようにしてある。たとえば、第1、第2の流路部分51、52の溝幅を中央部単位燃料電池19の冷媒流路26より大にする。
In the
図6に示すように、奥側(供給路29aの入口から遠い側)の端部単位燃料電池19の外側の通路51については、冷媒は供給路29aからは入らず、排出路29bから冷媒の一部のみが通路51に流入して、通路51から副出口マニホールド53へと流れる。副出口マニホールド53から供給路29aの入口側の端部単位燃料電池19Aの外側の通路52に流入し、通路52から、排出路29bにおいて、他のセルからの冷媒と合流して、燃料電池10の外部へ流出し、循環ポンプに戻る。
As shown in FIG. 6, in the
本発明の実施例1の燃料電池の作用、効果について説明する。
図1の下図は、冷媒の供給路29a、排出路29bの冷媒圧力変化を模式的に示したものである。
供給路29aと排出路29bは、冷媒が流れるために圧力損失があるが、供給路29aでは、順次、各セル19に冷却水が分流するため、奥に行くにしたがい圧力が僅かに上昇する。
ここで、排出路29bの奥の冷媒を端部セル19Aに流そうとすると、排出路29bの奥はすでに供給路29aより圧力が低下しているために、別の圧損の少ないバイパス流路を通さないと外部に流れない。そこで、副出口マニホールド53を排出路29bとは別に設けて、一部の流量(したがって、全量よりは少ない流量)を、低い圧損にて、流すようにしてあるので、第2の冷媒流路50を通って冷媒が流れ、端部セル19Aを温めることができる。
The operation and effect of the fuel cell of Example 1 of the present invention will be described.
The lower diagram of FIG. 1 schematically shows changes in refrigerant pressure in the
The
Here, if the refrigerant at the back of the
副出口マニホールド53から、供給路29aの入口側の端部単位燃料電池19Aに冷媒を供給するようにしてあるので、供給路29aの入口側の端部単位燃料電池19Aの温度も制御する。したがって、積層方向の両端部にある単位燃料電池19Aをあたためることができる。
また、第3の流路部分(副出口マニホールド)53が、積層された複数の単位燃料電池の中に形成された通路であるので、配管の取回しが複雑化しない。
Since the refrigerant is supplied from the
In addition, since the third flow path portion (sub-outlet manifold) 53 is a passage formed in the stacked unit fuel cells, the piping is not complicated.
本発明の実施例2の燃料電池10では、図7に示すように、第2の冷媒流路50が、積層された単位燃料電池の積層方向の一端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池19Aと熱交換する第1の流路部分51と、積層された単位燃料電池の積層方向の他端部に配置された少なくとも1つの単位燃料電池と熱交換する第2の流路部分52と、第1の流路部分51と第2の流路部分52を連通する第3の流路部分53を含んでいる。
第3の流路部分53は単位燃料電池集積体の外に形成されており、第3の流路部分53は、排出路26bとは別の通路で、かつ、積層された複数の単位燃料電池の外に管路53として形成された通路からなる。
本発明の実施例2の燃料電池10の作用効果については、第3の流路部分53が、積層された複数の単位燃料電池の外に管路として形成された通路であるので、中央単位燃料電池のセパレータに、副流路(本発明の実施例1の副出口マニホールド)を設ける必要がなく、セパレータ18の、従来セパレータからの設計変更を最少とすることができる。
In the
The third
Regarding the operation and effect of the
本発明の実施例3の燃料電池10では、図8に示すように、単位燃料電池19を複数積層した燃料電池スタック23が、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触されて配置されている。各スタック23の供給路29aへの冷媒の入口54および各スタックの排出路29bからの冷媒の出口55が、スタック23間のエンドプレート22に、複数のスタック23に対して共通化して、設けられている。
本発明の実施例3の燃料電池10の作用、効果については、燃料電池スタック23を、複数、直列に配置し、冷媒の出入り口54、55をスタック23間のエンドプレート22に、共通化して、設けたので、冷媒の出入り口54、55を複数のスタック23に対してそれぞえ設けた場合に比べて、冷却通路構造を単純化できる。
In the
Regarding the operation and effect of the
本発明の実施例4の燃料電池10では、図9に示すように、単位燃料電池19を複数積層した燃料電池スタック23が、複数、直列に、単位燃料電池積層方向に接触されて配置されている。各スタック23の、スタック間側の端部単位燃料電池19Aには、第2の冷媒流路50を通さないようにした。
本発明の実施例4の燃料電池10の作用、効果については、燃料電池スタック23を、複数、直列に配置したので、スタック23間のエンドプレート22側は外部への熱の逃げ場がなく、したがって、スタック23間側の端部単位燃料電池19をあたためなくてよく、スタック間側の端部単位燃料電池19Aには、第2の冷媒流路50を通さずに省略することができ、それだけ冷却通路構造を単純化できる。
In the
Regarding the operation and effect of the
本発明の実施例5の燃料電池10では、図10に示すように、第2の冷媒流路50が、排出路29bの、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも1つの単位燃料電池19Aとそれに隣接する単位燃料電池19との間の冷媒流路26の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐している。
本発明の実施例5の燃料電池10の作用、効果については、第2の冷媒流路50が、排出路29bの、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも1つの単位燃料電池19Aとそれに隣接する単位燃料電池19との間の冷媒流路26の出口より、単位燃料電池積層方向中央部側に隔たった部位から分岐しているので、排出路29bの、単位燃料電池積層方向一端部にある少なくとも1つの単位燃料電池19Aとそれに隣接する単位燃料電池19との間の冷媒流路26の出口で分岐する場合より温度の高い冷媒を第2の冷媒流路50に分流させることができ、端部単位燃料電池19Aの温度低下を効果的に防止することができる。
In the
Regarding the operation and effect of the
10 燃料電池
11 電解質膜
12 (アノード側)触媒層
13 拡散層
14 アノード
15 (カソード側)触媒層
16 拡散層
17 カソード
18 セパレータ
19 単位燃料電池
19A 端部単位燃料電池
20 ターミナル
21 インシュレータ
22 エンドプレート
23 スタック
24 テンションプレート
25 ボルト・ナット
26 冷媒流路
27 燃料ガス流路
28 酸化ガス流路
29a 供給路(入側冷媒マニホールド)
29ai 供給路への冷媒入口
29b 排出路(出側冷媒マニホールド)
29bo 排出路の外部への出口
30a 入側燃料ガスマニホールド
30b 出側燃料ガスマニホールド
31a 入側酸化ガスマニホールド
31b 出側酸化ガスマニホールド
40 第1の冷媒流路
50 第2の冷媒流路 51 第1の流路部分
52 第2の流路部分
53 第3の流路部分(副出口マニホールド、または外の管路)
54 冷媒入口
55 冷媒出口
DESCRIPTION OF
29bo Outlet to the outside of the
54
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