JPH0665056B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、燃料電池の温度調節系に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

燃料電池は、停止状態から始動するときに、反応を促進
するために外部から加熱する必要があり、また運転時に
は内部で発生した熱を定常的に外部に取り出す必要があ
る。従来、このための手段として、燃料電池の積層方向
に適当なピッチで配置された冷却板内の冷却管に、外部
循環ポンプから温水または冷却水を送り込む通水熱交換
方式が一般に採用されてきたが、この方式は、通水管内
の腐食問題を避けることができず、このためにきびしい
水質管理を要求されるという欠点があった。これに代わ
るものとして、燃料電池の熱交換器にヒートパイプを用
いる方式が提案されており、特開昭５７−１８００７９
号公報、特開昭５７−１８００８０号公報等に示されて
いる。

その一例を第６図に示す。図において、１ａ、１ｂはそ
れぞれ燃料電池の冷却板上板、冷却板下板であり、冷却
板下板１ｂの冷却板上板１ａに対向する側の面に冷却管
２が設置されている。４は冷却管２の位置よりも高所に
設けられた放熱器、５は冷却管２の位置よりも低いとこ
ろに設けられた加熱器であり、これらの冷却管２、放熱
器４、加熱器５は、接続配管３ａ、３ｂ、３ｂにより、
互いに接続されて１つの密閉ループを形成する。この内
部は、真空に排気された後に、水またはフロンなどの熱
媒体が封入されている。

このような従来のものの動作について説明する。積層さ
れた燃料電池で発生した熱は、上下から冷却板上板１
ａ、冷却板下板１ｂに伝えられ、さらにこの中の冷却管
２に伝えられる。この熱は冷却管２内に封入されている
熱媒体を蒸発させ、この蒸気は冷却管２より高所に配置
されている放熱器４へ、接続配管３ａ、３ｂを経由して
導かれる。放熱器４において、外部への放熱が行われ、
蒸気は凝縮し液化する。凝縮液は自重によって、接続配
管３ｂ、３ａを通って冷却管２に戻る。

次に起動時の加熱方法を説明する。電気ヒータ等の加熱
手段により、加熱器５内で加熱され密度が小さくなった
熱媒体は、冷却管２内の熱媒体との密度差に基づく浮力
によって、接続配管３ｃ、３ａを通って上昇して、冷却
管２内に流入し、冷却板上板１ａ、冷却板下板１ｂに熱
を与え燃料電池を加熱する。ここで冷却され、密度が大
きくなった熱媒体は自重によって再び加熱器５まで戻
る。かくして動力を用いることなく、密閉ループで熱媒
体を循環させて熱輸送を行うことを可能としている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、燃料電池の冷却板６は、燃料電池の効果的な
冷却、加熱のために、積層方向に適当なピッチで多数配
置される。しかるに上述した従来の装置では、冷却板
６、１組に対して放熱器４、加熱器５が１組配置され、
この組合せが高さ方向に大きなスペースを占有するため
に、燃料電池の限られた積層高さの寸法内に、放熱器４
と加熱器５を配置することが困難であるという問題点が
あった。

また仮に配置できたとしても、多数の放熱器４と加熱器
５を構成する関係上、多大のスペースを必要とするこ
と、構造が複雑になること、多大の製作コストがかかる
などの欠点を有していた。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになさ
れたもので、コンパクトでシンプル、且つ安価な温度調
節系を備えた燃料電池を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係る燃料電池の温度調節系は、燃料電池の積
層方向にそれぞれ設置され、並列に熱媒体が流れる複数
の冷却管と、この冷却管と同じ高さもしくは高位にある
第１のヘツダ管と、この第１のヘッダ管と各冷却管の一
端側とを接続する第１の接続配管と、冷却管と同じ高さ
もしくは低位にある第２のヘッダ管と、この第２のヘッ
ダ管と各冷却管の他端側とを接続する第２の接続配管
と、複数の冷却板の内最下部の冷却板よりも低い位置に
配置された加熱器と、複数の冷却板の内最上部の冷却板
よりも高い位置に配置された放熱器と、加熱器の上端部
と放熱器の上端部と第１のヘッダ管とを接続する第１の
マニホールド管と、加熱器の下端部と放熱器の下端部と
第２のヘッダ管とを接続する第２のマニホールド管とに
よって、密閉ループを構成し、この密閉した系に熱媒体
を封入するとともに、この熱媒体の液面を最上部の前記
冷却板よりも高い位置および最下部の冷却板よりも低い
位置に調整することが可能なように熱媒体を前記密閉し
た系と授受できる液面調節機構を備えたものである。

〔作用〕

この発明における燃料電池の温度調節系は、燃料電池の
冷却動作時には、冷却管と放熱器との間で熱媒体の循環
を行わせ、燃料電池の加熱動作時には、冷却管と加熱器
との間で熱媒体の循環を行わせることによって燃料電池
の効果的な冷却、加熱を実現する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を第１図、第２図、第３図に
基づいて説明する。第２図は、多数の冷却板６をはさむ
燃料電池１１と温度調節系１２との組合せを概念的に示
したもので、第１図は冷却板６の周りの構造を示したも
のである。第１図において、７は冷却板６に設置された
冷却管で、冷却管７は並列に熱媒体が流れるように配列
され、対応する複数の第１、第２の接続配管８ａ、８ｂ
に接続される。第１の接続配管８ａは冷却管７と同じ高
さもしくは高位にある第１のヘツダ管９ａにつながれ、
第１のヘツダ管９ａは上下につながる第１のマニホール
ド管１０ａに接続される。もう一方の第２の接続配管８
ｂは、冷却管７と同じ高さもしくは低位にある第２のヘ
ツダ管９ｂにつながれ、第２のヘツダ管９ｂは上下につ
ながる第２のマニホールド管１０ｂに接続される。第２
図において、６、７、８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、１０
ａ、１０ｂは第１図と同じものを多少概念的に描いてい
る。

第１、第２のヘツダ管９ａ、９ｂは、１枚の冷却板６に
対し１組配置され、燃料電池１１の積層方向に冷却板の
数だけ配置されるが、第１、第２のマニホールド管１０
ａ、１０ｂはこれらを垂直方向に連通させるもので、一
対で構成される。１３は胴体１５とチューブ１４より構
成され、燃料電池１１の最上部の冷却板６より高位に配
置された放熱器である。第１のマニホールド管１０ａの
上部は、放熱器１３のチューブ１４の端の上部に接続さ
れ、一方の第２のマニホールド管１０ｂの上部は、放熱
器１３のチューブ１４のもう一方の端の下部に接続され
る。

また、１６は胴体１８とチューブ１７より構成され、燃
料電池１１の最下部の冷却板６より低位に配置された加
熱器であり、第１のマニホールド管１０ａの下部が加熱
器１６のチューブ１７の端の上部に接続され、一方の第
２のマニホールド管１０ｂの下部が加熱器１６のチュー
ブ１７のもう一方の端の下部に接続される。このように
して、冷却管７、第１、第２の接続配管８ａ、８ｂ、第
１、第２のヘツダ管９ａ、９ｂ、第１、第２のマニホー
ルド管１０ａ、１０ｂ、放熱器１３のチューブ１４、加
熱器１６のチューブ１７は１つの閉ループの温度調節系
１２を構成する。温度調節系１２には、内部を真空に排
気したあと、水、フロンなどの熱媒体を封入する。１９
は、燃料電池１１の冷却動作時に維持すべき熱媒体の第
１の液面であり、燃料電池１１の最上部の冷却板６の高
さ以上で且つ放熱器１３のチューブ１４の高さ以下の範
囲に設定される。２０は、燃料電池１１の加熱動作時に
維持すべき熱媒体の第２の液面であり、燃料電池１１の
最下部の冷却板６の高さ以下で、且つ加熱器１６のチュ
ーブ１７の高さ以上の範囲に設定される。２１は、燃料
電池１１の冷却、加熱に応じて熱媒体の液面を調節する
ための液面調節機構であり、導入管２２を経由して熱媒
体は液面調節機構２１にチャージ、あるいは液面調節機
構２１より放出される。第３図は液面調節機構２１の１
例を示したもので、液面調節機構２１は、チャンバ２
６、ベローズ２３、アクチュエータ２４、スピンドル２
５より構成され、ベローズ２３内に熱媒体が収容されて
いる。

次いで、第１図、第２図、第３図の実施例の動作につい
て説明する。まず、燃料電池１１の冷却時の動作を述べ
る。燃料電池１１の冷却動作時は、液面調節機構２１の
操作により、温度調節系１２の熱媒体の液面を第１の液
面１９に設定しておく。この状態で、積層された燃料電
池１１で発生した熱は冷却板６に伝えられ、さらにその
熱は冷却板６内の冷却管７に伝えられ、この熱は冷却管
７内に満ちている熱媒体を蒸発させる。蒸発潜熱を奪っ
た熱媒体の蒸気は、浮力により上り勾配をもった第１の
接続配管８ａに導かれ、第１のヘツダ管９ａを経由して
第１のマニホールド管１０ａに導かれる。冷却板６毎に
配置された多数の第１のヘツダ管９ａから出てきた蒸気
は、１本の第１のマニホールド管１０ａに集合され、さ
らに浮力によって蒸気は第１のマニホールド管１０ａ内
を上昇して第１の液面１９に到達する。蒸気は第１のマ
ニホールド管１０ａ内をさらに上昇し、放熱器１３のチ
ューブ１４に到達する。放熱器１３の胴体１５には冷却
水を通水しており、この冷却水との熱交換によりチュー
ブ１４内の蒸気は凝縮し液化する。チューブ１４内の凝
縮液は自重によって第２のマニホールド管１０ｂに至
り、さらに凝縮液は第２のマニホールド管１０ｂ内を落
下して第１の液面１９に至り、液は第２のマニホールド
管１０ｂ、第２のヘツダ管９ｂ、第２の接続配管８ｂを
経由して冷却管７に戻る。かくして相変化を伴う潜熱の
吸収、放出を利用した、いわゆるヒートパイプとしての
温度調節系が構成される。

次いで燃料電池１１の加熱時の動作を述べる。燃料電池
１１の加熱動作時は、液面調節機構２１の操作により、
温度調節系１２の熱媒体の液面を第２の液面２０に設定
しておく。また、放熱器１３への冷却水の通水は停止
し、加熱器１６の胴体１８にはスチームまたは温水など
の加熱媒体を流す。加熱器１６のチューブ１７内の熱媒
体は、胴体１８側の加熱媒体より熱を与えられて、チュ
ーブ１７内で蒸発する。ここで発生した熱媒体の蒸気
は、浮力により第１のマニホールド管１０ａに至り、さ
らに蒸気は第１のマニホールド管１０ａ内を浮力で上昇
し、第２の液面２０に到達する。蒸気は第１のマニホー
ルド管１０ａ内をさらに上昇し、第１のヘツダ管９ａ、
第１の接続配管８ａを経由して冷却管７に至る。ここで
燃料電池１１の冷却板６は蒸気より熱を与えられて加熱
され、一方冷却管７の中の蒸気は熱を奪われることによ
って凝縮し液化する。凝縮液は自重によって冷却管７か
ら第２の接続配管８ｂ、第２のヘツダ管９ｂを経て第２
のマニホールド管１０ｂに至り、さらに凝縮液は第２の
マニホールド管１０ｂ内を落下して第２の液面２０に至
り、液は第２のマニホールド管１０ｂを経由して、加熱
器１６のチューブ１７に戻る。以上のようにして、ヒー
トパイプ動作を利用した燃料電池１１の温度調節系１２
が構成される。ここで、燃料電池１１の冷却時と加熱時
で熱媒体の液面を変えるときの液面調節機構２１の操作
を述べる。第３図において、アクチュエータ２４は電動
モータあるいは空気圧などを駆動力としてスピンドル２
５を動かすもので、アクチュエータ２４の動作によりス
ピンドル２５、ベロース２３が上下し、液面調節機構２
１のベローズ２３内の熱媒体が導入管２２を介して出入
りする。燃料電池１１の冷却時には、このベローズ２３
を押し上げて、温度調節系１２の液面を第１の液面１９
まで上昇させ、一方燃料電池１１の加熱時には、ベロー
ズ２３を押し下げて、温度調節系１２の液面を第２の液
面２０まで降下させる。

なお、上記燃料電池１１の加熱動作時に、加熱器１６の
チューブ１７で発生した熱媒体の蒸気は第１のマニホー
ルド管１０ａを経由して一部は放熱器１３のチューブ１
４にも至り、放熱器１３の加熱に費やされるが、放熱器
１３の熱容量は燃料電池１１の熱容量に比べ僅かであ
り、放熱器１３はすぐに加熱されてしまうので、実質的
には問題にならない。

ただし、少しでも早く燃料電池１１を加熱したいときに
は、同時に放熱器１３にも胴体１５にスチームか温水を
流してやるのが望ましい。

以上、燃料電池１１の冷却、加熱の動作を述べたが、こ
の方式は、燃料電池１１の積層方向に多数配置された冷
却板６の冷却管７を１対の第１、第２のマニホールド管
１０ａ、１０ｂに接続させることで、放熱器１３および
加熱器１６の共通化を可能としたもので、従来例で冷却
板１枚に対し１組の放熱器、加熱器を要した構成に比
べ、大幅なコンパクト化を図ることができる。

なお、上記実施例では、冷却管７の構成として、１往復
流れの場合を示したが、特にこの構成に限定するもので
はなく、２以上の往復数の流れであってもよく、また片
道流れの構成でもよく同じ効果を奏する。片道流れ構成
の場合の実施例を第４図、第５図に示す。第４図、第５
図において、６〜２２は第１図、第２図と同じものを示
す。第４図、第５図は冷却管７の流れの構成が異なるの
みで、温度調節系１２の構成、伝熱の機構などは第１
図、第２図の実施例と全く同一である。なお、第４図、
第５図の構成において、冷却板６内の冷却管７は、接続
配管８ｂから接続配管８ａ側に向けて上向きの勾配をも
つように配置してもよい。

また、上記第１図〜第５図の実施例において、放熱器１
３のチューブ１４および加熱器１６のチューブ１７は、
図示のように水平配置でもよいが、凝縮液の還流あるい
は蒸気の浮上をスムーズにするために、いずれも第１の
マニホールド管１０ａとの接続位置から第２のマニホー
ルド管１０ｂとの接続位置にかけて下向きの勾配をもた
せて配置してもよく、さらには放熱器１３のチューブ１
４あるいは加熱器１６のチューブ１７が垂直方向を向く
ように配置し、チューブ１４あるいはチューブ１７の上
端、下端をそれぞれ第１、第２のマニホールド管１０
ａ、１０ｂに接続するように構成してもよい。なお上記
実施例では、シエルアンドチューブ方式の放熱器１３、
加熱器１６を配置した例を述べたが、放熱器１３、加熱
器１６はどのような形式でもよい。放熱器１３の冷却媒
体は水に限定される訳ではなく例えばフィン付きの風冷
方式でもよく、一方加熱器１６の加熱方法もスチームや
温水によるものに限らず、例えば電気ヒータを用いても
よい。また、上記実施例においては、蒸気の流れ、凝縮
液の流れをスムーズにするために、第１の接続配管８ａ
と第２の接続配管８ｂに勾配をもたせたが、必ずしも両
者に勾配をもたせる必要はなく、どちらか一方を水平に
配置してもよく、さらに両者を水平に配置してもよく、
所期の目的を達成する。この場合は、構造がさらにシン
プルになり製作容易という利点がある。

また上記実施例では、燃料電池１基に対し１組の放熱器
１３、加熱器１６を配置した例を述べたが、冷却板６を
積層方向に複数のブロックに分け、各ブロック毎に１対
のマニホールド管と１組の放熱器、加熱器を配置しても
よく、また１対のマニホールド管に対し複数組の放熱
器、加熱器を配置してもよい。

なお、液面調節機構２１の構造は第３図のものに限定さ
れるものではなく、要するに、外部からの操作によって
液のチャージと放出ができる機構であればよい。また液
面調節機構２１の導入管２２の接続位置は、第２図、第
５図に示す位置に限定されるものではなく、燃料電池１
１の最下部の冷却板６の高さ以下であれば、第１のマニ
ホールド管１０ａ、第２のマニホールド管１０ｂ、加熱
器１６のチューブ１７のいずれに接続してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば、燃料電池の積層方向
にそれぞれ設置され、並列に熱媒体が流れる複数の冷却
管と、この冷却管と同じ高さもしくは高位にある第１の
ヘツダ管と、この第１のヘッダ管と各冷却管の一端側と
を接続する第１の接続配管と、冷却管と同じ高さもしく
は低位にある第２のヘッダ管と、この第２のヘッダ管と
各冷却管の他端側とを接続する第２の接続配管と、複数
の冷却板の内最下部の冷却板よりも低い位置に配置され
た加熱器と、複数の冷却板の内最上部の冷却板よりも高
い位置に配置された放熱器と、加熱器の上端部と放熱器
の上端部と第１のヘッダ管とを接続する第１のマニホー
ルド管と、加熱器の下端部と放熱器の下端部と第２のヘ
ッダ管とを接続する第２のマニホールド管とによって、
密閉ループを構成し、この密閉した系に熱媒体を封入す
るとともに、この熱媒体の液面を最上部の前記冷却板よ
りも高い位置および最下部の冷却板よりも低い位置に調
整することが可能なように熱媒体を前記密閉した系と授
受できる液面調節機構を備えたので、コンパクトで構造
がシンプル、且つ安価な燃料電池の温度調節系を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はこの発明の一実施例による燃料電池の
温度調節系を示す要部斜視図、系統図、第３図はこの発
明に係る液面調節機構の一例を示す詳細図、第４図、第
５図はこの発明の他の実施例による燃料電池の温度調節
系を示す要部斜視図、系統図、第６図は従来の燃料電池
の温度調節装置を示す斜視図である。 図において、６は冷却板、７は冷却管、８ａ、８ｂは第
１、第２の接続配管、９ａ、９ｂは第１、第２のヘツダ
管、１０ａ、１０ｂは第１、第２のマニホールド管、１
１は燃料電池、１２は温度調節系、１３は放熱器、１６
は加熱器、２１は液面調節機構である。 尚、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料電池の積層方向に配置された複数の各
   冷却板にそれぞれ設置され、並列に熱媒体が流れる複数
   の冷却管と、この冷却管と同じ高さもしくは高位にある
   第１のヘツダ管と、この第１のヘッダ管と前記各冷却管
   の一端側とを接続する第１の接続配管と、前記冷却管と
   同じ高さもしくは低位にある第２のヘッダ管と、この第
   ２のヘッダ管と前記各冷却管の他端側とを接続する第２
   の接続配管と、前記複数の冷却板の内最下部の前記冷却
   板よりも低い位置に配置された加熱器と、前記複数の冷
   却板の内最上部の前記冷却板よりも高い位置に配置され
   た放熱器と、前記加熱器の上端部と前記放熱器の上端部
   と前記第１のヘッダ管とを接続する第１のマニホールド
   管と、前記加熱器の下端部と前記放熱器の下端部と前記
   第２のヘッダ管とを接続する第２のマニホールド管とに
   よって、密閉ループを構成し、この密閉した系に熱媒体
   を封入するとともに、この熱媒体の液面を前記最上部の
   前記冷却板よりも高い位置および前記最下部の前記冷却
   板よりも低い位置に調整することが可能なように前記熱
   媒体を前記密閉した系と授受できる液面調節機構を有す
   る温度調節系を備えたことを特徴とする燃料電池。