JPH04286869A - 燃料電池冷却方式 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池を空気により
冷却する燃料電池冷却方式に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の空冷式の、電解質にリン酸を用い
た燃料電池の例を図６に示す。リン酸型燃料電池は、燃
料極に水素を、空気極（酸素極）に空気を導き、水素と
空気中の酸素を反応させて発電を行うと共に、反応にと
もなって発生する熱を利用するシステムである。図にお
いて、１は燃料電池、２は燃料電池を収容する容器、３
は燃料極，４は空気極、５は冷却用空気通路、６は反応
用空気送風機、７は冷却用空気送風機、８は反応用空気
送風管、９は冷却用空気送風管、１０はマニホールド、
１１は温度検出手段、１２は信号ケーブル、１３は冷却
用空気送風機回転数制御手段、１４は排気空気管、１５
は熱回収用熱交換器、１９は電気出力部、２０は送電ケ
ーブル、２１は燃料電池の発電量検出手段、２２は反応
用空気送風機回転数制御手段、２４は発電量検出手段２
１と反応用空気送風機回転数制御手段２２を接続する信
号ケーブル、４０は電解質を示している。

【０００３】燃料電池１は、その温度が高くなると空気
極４，燃料極３表面の触媒が焼結して性能が劣化し、温
度が低くなると発電効率が下がる。このため触媒が焼結
しない範囲で、なるべく高い温度に燃料電池１本体の温
度を制御する必要がある。そこで従来、空冷式の燃料電
池１の冷却用空気は、冷却用空気送風機７によって冷却
用空気送風管９を通して供給され、その送風量は燃料電
池１の温度検出手段１１によって検出された温度が設定
値になるように、冷却用空気送風機回転数制御手段１３
により冷却用空気送風機７の回転数を調節して制御して
いた。一方、空気極４で反応に使用される空気は冷却用
空気とは別に、反応用空気送風機６によって反応用空気
送風管８を通して供給され、その送風量は発電量検出手
段２１によって検出された燃料電池１の発電量に応じた
量になるように反応用空気送風機回転数制御手段２２に
より反応用空気送風機６の回転数を調節して制御してい
た。この理由は燃料電池１の発電量が変化した場合に、
冷却用に使用される空気は燃料電池１の温度によって制
御し、空気極４で反応に使用される空気量は発電量に応
じて制御する必要があるためである。その場合、定性的
には発電量が減少すれば発生する熱も少なくなるため、
反応用空気も冷却用空気も減少させる必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術による燃料電池の空冷方式では、空気量の制御
において、例えば発電量の減少により反応用空気と冷却
用空気を共に減少させる場合のそれぞれの減少量が異な
るため、反応用空気と冷却用空気はそれぞれ独立に制御
する必要があった。このため燃料電池に冷却用空気を供
給するための送風機７と、反応用空気を供給する送風機
６の合計２台の送風機が必要で、送風機が１台の場合に
比べて設置スペースが大きくなったり、故障確率が増加
したりする問題点があった。また、燃料電池冷却用通路
の入口には冷却用空気を多数設けられている冷却用空気
通路５に分配するための複雑なマニホールド１０が必要
であった。さらに、燃料電池１の温度を検出して冷却用
空気送風機７の送風量を制御するための温度検出手段１
１、送風機回転数制御手段１３等が必要であった。この
ように、従来の技術では、燃料電池１へ空気を供給する
ための装置が複雑になり、これらの装置を設置するため
のスペースも大きくなるという問題点があった。

【０００５】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、簡単で省スペースな装
置構成で、燃料電池冷却用空気と反応用空気の供給を共
通に行いながら、燃料電池冷却用空気量と反応用空気量
を独立に制御できる燃料電池冷却方式を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の燃料電池冷却方式においては、燃料極，燃
料極側通路構成材，電解質，酸素極，酸素極側通路構成
材から成る発電層と冷却用空気通路を有する燃料電池に
おいて、前記冷却用空気通路の出口および／または前記
燃料電池をバイパスするように設けられた冷却用空気バ
イパス通路の出口に冷却用空気流量調節機構を設け、燃
料電池の温度が高くなった場合には前記冷却用通路を通
過する空気量が多くなるように、燃料電池の温度が低く
なった場合は前記冷却用通路を通過する冷却用空気量が
少なくなるように、前記冷却用空気流量調節機構を動作
させることを特徴としている。

【０００７】

【作用】本発明の燃料電池冷却方式では、送風機が燃料
電池冷却用空気と反応用空気の供給を共通に行い、燃料
電池の冷却用空気通路，冷却用空気バイパス通路の出口
に冷却用空気流量調節機構を設けることにより、冷却用
空気と反応用空気の空気量を独立に制御できるようにす
る。これにより、燃料電池冷却用空気供給のための送風
機と反応用空気供給のための送風機を兼用できるように
するとともに、冷却用空気を別個に燃料電池冷却用通路
に分配するためのマニホールドを不要にし、装置構成を
簡単化する。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【０００９】図１は本発明の第１の実施例の構成を示す
燃料電池の正面からの立断面図、図２，図３は図１の燃
料電池をＡの矢示方向から見た動作状態を示す斜視図、
図４は水平断面図である。

【００１０】これらの図において、１は燃料電池、２は
燃料電池１を収容する容器、３は燃料極，燃料極側通路
構成材、４は空気極（酸素極），空気極（酸素極）側通
路構成材、５は冷却用空気通路、１４は排気空気管、１
５は熱回収用熱交換器、１６は冷却用空気と反応用空気
を供給する送風機、１７は冷却用空気と反応用空気を供
給する管、１８は冷却用空気バイパス通路、２１は燃料
電池の発電量検出手段、２３は冷却用空気と反応用空気
の送風機回転数制御手段、３０は冷却用空気流量調節機
構、３１は冷却用空気バイパス量を調節する流量調節機
構、３２は形状記憶合金、４０は電解質を示している。 燃料電池は、燃料極，燃料極側通路構成材３と、電解質
４０と、空気極，空気極側通路構成材４とから形成され
る発電層が積層され、その発電層数層毎に冷却用空気通
路５が設けられて成る。

【００１１】本実施例の構成において、冷却用空気通路
５の入口と空気極側通路構成材４で形成される反応用空
気通路の入口は共通に冷却用空気と反応用空気を供給す
る管１７に連通されている。この管１７には冷却用空気
と反応用空気を共通に供給する送風機１６が挿入され、
送風機１６は発電量検出手段２１で検出した燃料電池１
の発電量に応じてその空気量が送風機回転数制御手段２
３により制御される。各冷却用空気通路５の出口には、
少なくとも冷却用空気流量調節機構３０が設けられ、適
宜な手段により燃料電池１の温度が設定値を保つように
各冷却用空気通路を開閉する。本実施例では、上記手段
として図２に示す形状記憶合金３２を用いる。また、本
実施例では図２，図３に示すように、さらに冷却用空気
バイパス通路１８を設け、その出口に上記流量調節機構
３０の開閉とは逆動作する流量調節機構３１を設ける。 上記において、冷却用空気通路５の周囲は熱伝導のよい
材料で、冷却用空気バイパス通路１８の周囲は熱伝導の
悪い材料で構成する。これらの冷却用空気通路５，冷却
用空気バイパス通路１８および空気極３の反応用空気通
路の各出口は、排気空気管１４に合流されて熱回収用熱
交換器１５に導かれる。

【００１２】図２における形状記憶合金３２としては、
リン酸型燃料電池では冷却空気の排気温度が１００〜１
５０℃であることから、変形温度が１００〜１５０℃程
度である例えばＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系の合金，Ｔｉ−Ｎｉ
系の合金，あるいはＭｎ−Ｃｕ系の合金を用いることが
考えられる。

【００１３】以上のように構成した第１の実施例の動作
および作用を述べる。

【００１４】まず、図２，図３を用いて動作について説
明する。冷却用空気通路５の出口側に設けた冷却用空気
量を調節する流量調節機構３０および冷却用空気バイパ
ス通路１８の出口側に設けた冷却用空気のバイパス量を
調節する流量調節機構３１は、燃料電池１の温度を制御
する。すなわち、燃料電池１の温度が高くなり冷却用空
気通路５の出口温度が高くなると、図２に示すように冷
却用空気通路５の流量調節機構３０が形状記憶合金３２
により開き、同時に冷却用空気バイパス通路１８の流量
調節機構３１が閉じる。この結果、燃料電池１の冷却が
促進される。ここで、流量調節機構３１は、その開閉が
、流量調節機構３０の開閉と逆動作になるように流量調
節機構３０に取り付けられている。一方、燃料電池１の
温度が低くなり冷却用空気通路５の出口温度が低くなる
と、図３に示すように冷却用空気通路の流量調節機構３
０が形状記憶合金３２により閉じ、同時に冷却用空気バ
イパス通路１８の流量調節機構３１が開く。この結果、
燃料電池１の冷却が抑制される。このようにして燃料電
池１の温度が設定値に保たれる。

【００１５】流量調節機構３０および３１は冷却用空気
通路５および冷却用空気バイパス通路１８のみを塞ぐよ
うになっており、反応用空気が通過する空気極４の反応
用空気通路は塞がない構造となっている。一方、図１に
おける送風機１６の送風量は、発電量検出手段２１によ
って検出された燃料電池１の発電量に応じて送風機回転
数制御手段２３により送風機１６の回転数を調節して制
御されるが、その送風量は燃料電池１の冷却に必要な充
分な空気量が加わったものになっている。このため空気
極４には、必要な量の反応用空気が供給されることにな
る。

【００１６】本実施例では、燃料電池１の冷却用空気と
反応用空気の供給を送風機１６が共通に行いながら、冷
却用空気流量調節機構３０，３１により冷却用空気と反
応用空気を独立に制御することができる。従って、送風
機１６が従来例における冷却用空気供給のための送風機
と反応用空気供給のための送風機を兼ねることができる
とともに、冷却用空気を別個に冷却用通路に分配するた
めのマニホールド等を不要にすることができ、装置構成
を簡単にすることができる。

【００１７】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００１８】図５は、その構成を示す燃料電池の水平断
面図である。図において、１４−１はバイパス空気排気
管、３３は仕切板である。これ以外の構成部分は、第１
の実施例における同一符号の構成部分と同様である。

【００１９】前述した第１の実施例では、冷却用空気通
路５を通った高温の空気と冷却用空気バイパス通路１８
を通った低温の空気が混合して排気管１４から排気され
るため、熱回収用熱交換器１５での熱回収温度が低下す
る。そこで、本実施例では、冷却用空気通路５を通った
空気と冷却用空気バイパス通路１８を通った空気の通路
の間に仕切板３３を設け、さらに冷却用空気通路５を通
った空気を排気するための排気管１４とは別に冷却用空
気バイパス通路１８を通ったバイパス空気の排気管１４
−１を設け、排気管１４側に熱回収用熱交換器１５を設
ける。これにより、熱回収用熱交換器１５には冷却用空
気通路５を通った高温の空気のみが通るようにして熱回
収温度を高く保つ。

【００２０】なお、以上の実施例では、冷却用空気通路
５毎の各流量調節機構３０に個別に形状記憶合金を設け
て独立に開閉させるようにしているが、すべての流量調
節機構３０をリンク機構等により連結して、１つの形状
記憶合金により開閉させるようにしてもよい。また、複
数の形状記憶合金を使用し、変態温度を相互に数℃づつ
異なるようにしておけば、冷却空気の流量調節を連続的
に行える。さらに流量調節の精度を上げるには、流量調
節機構３０を分割し、それぞれに形状記憶合金を設けて
独立に開閉させればよい。このように本発明は、その主
旨に沿って種々に応用され、種々の実施態様を取り得る
ものである。

【００２１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
燃料電池冷却方式は、燃料電池冷却用空気と反応用空気
の供給を共通に行いながら、燃料電池冷却用空気量と反
応用空気量を独立に制御できるため、燃料電池への空気
供給系統を簡単にできるとういう利点がある。また冷却
用空気流量調節機構として形状記憶合金を使用すること
により冷却用空気流量制御手段が不要になるという利点
がある。

【００２２】また、本発明の請求項２の発明によれば、
特に、冷却用空気流量調節機構として形状記憶合金を使
用することにより、燃料電池の温度を検出して冷却用空
気流量調節機構を制御するための装置が不要になり、さ
らに装置構成が簡単になる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す燃料電池の正面か
らの立断面図

【図２】上記第１の実施例の動作状態を示す斜視図

【図
３】上記第１の実施例の他の動作状態を示す斜視図

【図
４】上記第１の実施例の水平断面図

【図５】本発明の第
２の実施例を示す燃料電池の水平断面図

【図６】従来例の燃料電池の正面からの立断面図

【符号
の説明】 １…燃料電池、２…燃料電池１を収容する容器、３…燃
料極，燃料極側通路構成材、４…空気極（酸素極），空
気極（酸素極）側通路構成材、５…冷却用空気通路、１
４…排気空気管、１４−１…バイパス空気排気管、１５
…熱回収用熱交換器、１６…冷却用空気と反応用空気を
供給する送風機、１７…冷却用空気と反応用空気を供給
する管、１８…冷却用空気バイパス通路、２１…燃料電
池の発電量検出手段、２３…冷却用空気と反応用空気の
送風機回転数制御手段、３０…冷却用空気流量調節機構
、３１…冷却用空気バイパス量を調節する流量調節機構
、３２…形状記憶合金、３３…仕切板、４０…電解質。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃料極，燃料極側通路構成材，電解質
   ，酸素極，酸素極側通路構成材から成る発電層と冷却用
   空気通路を有する燃料電池において、前記冷却用空気通
   路の出口および／または前記燃料電池をバイパスするよ
   うに設けられた冷却用空気バイパス通路の出口に冷却用
   空気流量調節機構を設け、燃料電池の温度が高くなった
   場合には前記冷却用通路を通過する空気量が多くなるよ
   うに、燃料電池の温度が低くなった場合は前記冷却用通
   路を通過する冷却用空気量が少なくなるように、前記冷
   却用空気流量調節機構を動作させることを特徴とする燃
   料電池冷却方式。
2. 【請求項２】　　冷却用空気流量調節機構を形状記憶合
   金を使用して動作させることを特徴とする請求項１記載
   の燃料電池冷却方式。