JPH03149758A - 燃料電池の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多数の単セルを積層したセルスタックの内部
に分散して介装した冷却板に対し、該冷却板に配管した
冷却管へ外部より冷却媒体を通流してセルスタックを冷
却する燃料電池の冷却装置に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池の冷却方式として、単セルの積層体としてなる
セルスタックの内部に敗セル置きに冷却板を介装し、該
冷却板に埋設配管した冷却管へ外部より非導電性の冷却
媒体（純水）を遍流して燃料電池の反応熱を除熱するよ
うにした冷却方式が周知である、（例えば特開昭６１−
１４７４６７号公報） 第５図は前記の冷却方式による燃料電池の冷却系統図を
示すものであり、単セルの積層体としてなるセルスタッ
クｌの内部には数セル置きに冷却管２ａを埋設した冷却
板２が介装されており、かつ各冷却板２ごとに冷却管２
ａの入口、出口がそれぞれヘッダ管３を介して入口、出
口側の冷却主管４に分岐接続されている。なお、冷却板
２は単セル間の導電路となるで導電性と高い伝熱性をも
った材料で作られている。そして、前記の入口、出口側
の冷却主管４の間に循環ポンプ５．気液分離器６を経由
する冷却水循環回路７を接続して冷却系を構成している
。なお、７ａは蒸気回収管、７ｂは冷却水補給管、８番
よ燃料電池の格納容器である。

かかる構成で、燃料電池の運転時には循環ポンプ５を運
転し、気液分離器６に貯留されている冷却水（純水）９
を冷却主管４よりヘッダ管３を経て各冷却板２の冷却管
２ａに分岐通流させ、セルスタックｌに発生した電池反
応熱を除熱する。なお、冷却水９は燃料電池を運転温度
に維持するように、水温を１８０℃程度８水圧を１０ｋ
ｇ／ｃｄ程度として冷却水の一部を蒸発させてその蒸発
潜熱によりセルスタックを冷却するようにしている。

一方、燃料電池の発電に伴いセルスタックｌの内部に分
散して介装した冷却板２の相互間には電位差が現れる。

したがって冷却板２に配管した冷却管２ａを各冷却仮に
共通な冷却主管４にそのまま接続すると、金属製の配管
を導電路としたセルスタックの短絡回路が形成されてし
まう、そこで、従来では第６ｒ１１に示すように、各冷
却仮２ごとに冷却主管４から分岐した分岐管４ａとヘッ
ダ管３との間に絶縁ホース１０を接続してアースされた
零電位の冷却主管４と冷却板２との間の電位差を絶縁す
るようにしている。

【発明が解決しようとする課題〕

ところで、第６図で述べたようにセルスタック！の内部
に介装した冷却板２と冷却主管４との間を絶縁するため
に、各冷却板２ごとにそのヘッダ管３と冷却主管４より
引出した分岐管４ａとの間に絶縁ホース１Ｇを介装接続
した従来の構成では次記のうように保守上での問題があ
る。

すなわち、冷却系統に流す冷却水は先述のように温度が
１８０℃６圧力が１０ｋｇ／ｃシ程度の高温。

高圧水である。したがってその配管系に接続する絶縁ホ
ース１０には前記の過酷な使用条件に十分耐えられるだ
けの耐熱、耐圧性と高い電気絶縁性が要求される。そこ
で、従来ではふっ素樹脂などの電気絶縁物で製作された
ホースを金属ワイヤ編組などの外管で補強するとともに
、さらに高圧水の漏れを防ぐためにホースの両端に高圧
用の接続金具を組合わせた構造のものを採用している。

しかしながら、前記した絶縁ホースは高価であるのみな
らず、燃料電池の長期運転の履歴から得た知見によれば
、前記した絶縁ホースの寿命は比較的短く、しばしば絶
縁の劣化、水漏れなどを引き起こすことが認められてい
る。このために従来では定期的に絶縁ホースを新品なも
のに交換して冷却系の健全性維持を図るようにしている
が、これに要するコストが無視できず、信頼性の問題と
併せてその改善策が型置れている。

”５ 本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、冷却
主管の構造を改良することにより、コスト、信頼性の面
で難点のある絶縁ホースを使用することなしに、各冷却
板の間の電気的絶縁を確保しつつ冷却媒体を冷却主管よ
り各冷却板に供給できるようにした燃料電池の冷却装置
を提供することを■的とする。

【課題を解決するための手段〕

上記謀鳳を解決するために、本発明によれば、短尺の金
属パイプとリング状の絶縁スペーサとを交互に積み重ね
た積層体をスタッドにより一体に締め付けて液密な冷却
主管を構成するとともに、前記金属パイプに冷却板へ遍
じる分岐管を接続するものとする。

また、前記構成おけるスタッドの代わりに、金属パイプ
と絶縁スペーサとの積層体の周囲に保持外筒を被せ、か
つ保持外筒に組み込んだばねの加圧力で前記積層体を一
体に締め付けて液密な冷却主管を構成することもてきる
。

上記の構成によれば、冷却主管の構成部品である短尺の
各金属パイプが個々に絶縁スペーサを介して電気的に絶
縁されている。したがって絶縁ホースを使用することな
く、前記金属パイプと冷却板とを一対一に対応させて冷
却主管と各冷却板との間を直結式に配管接続してもセル
スタックの発生電力が冷却配管系で短絡されることはな
い。

また、金属パイプと絶縁スペーサとの積層体の外周に被
せた保持外筒は、冷却水の水圧、ヒートサイクルによる
熱膨張差、クリープなどに起因して金属パイプ、絶縁ス
ペーサが相対的に積層ずれを引き起こすのを防止するよ
うに働く。

なお、この保持外筒は短尺の金属パイプから引出した分
岐管との干渉を避けるために周面にスリットを形成した
もの、あるいは二つ割構造のものが採用され、かつ冷却
主管の周面との間に絶縁シートなどを介在して電気的に
絶縁されている。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

実施例１： 第１図は本発明の請求項１に対応する実施例を示すもの
であり、その冷却系統の基本構造は第５図で述べたもの
と同様であるが、特に冷却主管４が次記のように構成さ
れている。すなわち、冷却主管４は、基本的に短尺な金
属パイプ１１とリング状の絶縁スペーサ１２とを交互に
積み重ねた積層体で構成し、前記金属パイプ１１に冷却
板２に通じる分岐管４ａを接続したものである。また、
かかる積層体に対しては、必要（より金属パイプ１１と
絶縁スペーサ１２との間にシール用のガスケット１３を
介在するとともに、積層体の最上位の金属パイプを端板
１４で塞ぎ、下端には冷却水の出入口となる口金１５を
組合わゝせでいる。さらに端板１４の上面には絶縁板１
６を介して上部スタッド受け１７を重ね、該上部スタン
ド受け１７と口金１５のフランジ部１５ａとの間に通し
たスタッド１８にナツト１９を螺合し、前記積層体を上
下から一体に締め付けて液密な冷却主管４を構成してい
る。そして、前記した各金属パイプ１１とセルスタック
ｌに介装した各冷却板２とを一対一で対応させ、各金属
パイプ１１より側方へ引出した冷却主管４の分岐管４ａ
が冷却板２の冷却管２ｍと連なるヘッダ管３に直結され
ている。

かかる構成によれば、セルスタックｌに組み込まれた各
冷却板２と個々に同じ電位が加わる冷却主管４の金属パ
イプ１１の相互間が絶縁スペーサ１２を介して電気的に
絶縁されている。したがって冷却主管４と各冷却板２と
の間に絶縁ホースなどを介装することなく直接に配管接
続しても、燃料電池の運転時にセルスタックの発生電力
が冷却主管４で短絡されることがなく、冷却主管４より
分岐して各冷却板２に冷却水を通流させることができる
。しかも、前記構成の冷却主管４は構造的にも堅牢で耐
久性が高く、長期に亙る実機運転テストの結果からも漏
水、絶縁劣化のないことが確認されている。

なお、図示の冷却主管４は第５図で表した冷却系統にお
ける入口側の冷却主管に対応するものを示したが、出口
側の冷却主管も全く同一な構造なもので構成されている
。

実施例２： 第２図ないし第４図は本発明の請求項２に対応する実施
例を示すものである。この実施例では、実施例１で述べ
た冷却主管４と同様な短尺の金属パイプ１１、絶縁スペ
ーサ１２．口金１５との積層体に対してその外周には金
属製の保持外筒２０が被せてあり、かつ保持外筒２０に
組み込んだ皿ばね２１を介して前記積層体を一体に締め
付けるように構成されている。

ここで、保持外筒２０は第３図に明示されているごとく
金属パイプ１１に接続した分岐管４ｍとの干渉を避ける
ように長手方向に沿ってスリット２０ａが切欠かれてお
り、このスリット２０ａを通して分岐管４ａを側方へ引
き出すようにしている。また、保持外筒２０の内周面と
冷却主管４の外周面との間には絶縁シート２２が介在さ
れ、さらに保持外筒２０の下端は口金１５の両面に溶接
するなどして結合されている。一方、前記した皿ばね２
１は冷却主管４の上面に載置したばね受け２３のロンド
に嵌合して保持外筒２０に収容され、ばね押え２４．絶
縁板２５を介・して保持外筒２０の頂部端板２６に螺合
した締結ポルト２７により皿ばね２１を加圧して冷却主
管４の積層体を一体に締め付けるようにしている。

かかる構成により、実施例１と同様に液密な冷却主管４
が構成されることになる。しかも、冷却主管４の積層体
に対してその外周に保持外筒２０が被せであるので、水
圧、ヒートサイクル、クリープなどにより金属パイプ１
１．　Ｉ！縁スペーサ１２が積層ずれを引き起こすこと
ことを確実に防止できるし、冷却主管４の組立時には保
持外１１２０をガイドとしてここに金属パイプ１１、絶
縁寸法１２を組み込むことができて組立作業が容易とな
るなどの利点が得られる。さらに、保持外筒２０に組み
込んだ皿ばね２１の加圧力で冷却主管４の積層体を締め
付けるようにしたので、実施例１のように冷却主管の積
層体をその外周に配した複数本のスタッドで締め付ける
構造と比べて占有スペースが少なくて済む他、積層体を
均等に加圧して締め付けることができる。

また、第４図は特に絶縁スペーサ１２についての応用実
施例を示すものであって、絶縁スペーサ１２は内周側の
の端縁部に面取りを施した内筒部１２ａと、内筒部から
外周に張り出したフランジ部１２ｂとを有し、フランジ
部１２ｂを金属パイプ１１の間に挟持させて冷却主管４
を組立てるようにしている。

かかる絶縁スペーサを採用すること−により、金属パイ
プ１１の相互間の絶縁沿面距層が内筒部１２ａにより増
加する他、内筒部１２ｍが冷却水の水圧を受けて金属パ
イプ１１の内周面に押し付けられるので積層ずれに対す
る補強の役目を果たす。

なお、保持外筒２０は、図示例のように局面にスリット
２０ａを形成したもの限られるものではなく、例えば二
つ割構造の保持外筒を採用することも可能である。また
、図示実施例では冷却主管４より引出した分岐管４ａと
冷却板側のヘッダ管３との間に金属製の可撓管２８が介
装しである。これにより、セルスタックｌに介装した各
冷却板２と冷却主管４における各金属バイブ１１との間
に相対的な位置ずれがあっても、この位置ずれを可撓管
２Ｂが吸収して配管系に無理な応力を与えるおそれがな
くなる。

〔発明の効果〕

本発明による燃料電池の冷却装置は、以上説明したよう
に構成されているので、次記の効果を奏する。

（１）冷却主管自身を短尺の金属パイプと絶縁スペーサ
とを交互に積み重ねた積層体で構成し、かつ金属パイプ
に冷却板に通じる分岐管を接続した構成により、従来構
造のように各冷却板ごとに冷却主管との間に絶縁ホース
を接続することなく、冷却板の相互間に加わる電位差を
冷却主管の絶縁スペーサにより電気的に絶縁してセルス
タックの発生電力の短絡を防止しつつ、冷却主管を共通
管として各冷却板へ冷却媒体を供給することができる。

しかも、当該冷却主管は構造的に堅牢であって従来装置
で採用していた絶縁ホースと比べて低コストで耐久性に
も優れ、信頼性の大幅な向上化が図れる。

０）また、金属パイプと絶縁スペーサとの積層体で構成
された冷却主管に対し、その外周に保持外筒を被せたこ
とにより、冷却媒体圧、ヒートサイクル、クリープなど
が原因で積層ずれが生じるのを確実に防いで信頼性をよ
り一層高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の主要部の構成断面図、第２図
は第１図と異なる実施例の主要部の構成断面図、第３図
は第２図の矢視１−１断面図、第４図は冷却主管に係る
応用実施例の断面図、第５図は冷却装置全体の冷却系統
図、第６図は従来の冷却装置の配管構造を示す斜視図で
ある。図において、 ｌ：セルスタック、２：冷却板、２ａ＝冷却管、３：ヘ
ッダ管、４：冷却主管、９：冷却水（冷却媒体）、Ｉｌ
：金属パイプ、１２：絶縁スペーサ、１８：スタンド、
２０：保持外筒、２１：皿ばね。 ＩＱＩ６ＭＩ７　　　　　　Ｉｆ　　　　　　　　　／
［シＬス９−．）ｌＩＦ／ノ２ −４アノ 第３図 ｌリー み　　　Ｉ　　２３

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セルスタック内に分散して介装した冷却板に対し
   、該冷却板に配管した冷却管へ外部より冷却媒体を通流
   してセルスタックを冷却する燃料電池の冷却装置であり
   、各冷却板ごとに冷却管がヘッダ管を介して入口、出口
   側の冷却主管に分岐接続されたものにおいて、短尺の金
   属パイプとリング状の絶縁スペーサとを交互に積み重ね
   た積層体をスタッドにより一体に締め付けて液密な冷却
   主管を構成するとともに、前記金属パイプに冷却板へ通
   じる分岐管を接続したことを特徴とする燃料電池の冷却
   装置。
2. （２）セルスタック内に分散して介装した冷却板に対し
   、該冷却板に配管した冷却管へ外部より冷却媒体を通流
   してセルスタックを冷却する燃料電池の冷却装置であり
   、各冷却板ごとに冷却管がヘッダ管を介して入口、出口
   側の冷却主管に分岐接続されたものにおいて、短尺の金
   属パイプとリング状の絶縁スペーサとを交互に積み重ね
   た積層体の周囲に保持外筒を被せ、かつ該保持外筒に組
   み込んだばねの加圧力で前記積層体を一体に締め付けて
   液密な冷却主管を構成するとともに、前記金属パイプに
   冷却板へ通じる分岐管を接続したことを特徴とする燃料
   電池の冷却装置。