JPH0815088B2 - 電気化学的電池の冷却装置系 - Google Patents

電気化学的電池の冷却装置系

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JPH0815088B2
JPH0815088B2 JP62293046A JP29304687A JPH0815088B2 JP H0815088 B2 JPH0815088 B2 JP H0815088B2 JP 62293046 A JP62293046 A JP 62293046A JP 29304687 A JP29304687 A JP 29304687A JP H0815088 B2 JPH0815088 B2 JP H0815088B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は燃料電池のような電気化学的電池並びに顕し
い量の電気を発生させ得るそのような電池のスタツク
（積重ねたもの）に関するものである。より具体的に
は、本発明は燃料電池スタツクのための冷却システムに
して、同システムが冷媒として水を使用するような冷却
システムに関するものである。
（背景となる技術） 燃料電池は経済的に意味のある量の電気を発生させる
ためにスタツクをなして配列される。前記電池はプレー
ト状構成部品から形成されており、同部品は一方が他方
の上方にに積まれ、電気的に直列接続され、顕著な電圧
は発生させることが行なわれる。冷却を必要とするタイ
プの燃料電池においては、前記スタツク中に散在された
複数個の冷却プレートが設けられており、全スタツクの
作動温度は所定の範囲内にとどまる。用いる冷媒は気体
状でも良いし、水のような液体であつても良い。１つ又
はそれ以上の燃料電池スタツクを用いた動力プラント内
の冷媒システムは通常閉じたシステムであり、冷媒は燃
料電池と熱交換する関係にあるスタツク中を循環され、
冷媒を沸騰させることにより電池からの熱を取上げるよ
うにされている。得られた蒸気及び水は蒸気セパレータ
中を循環され、同セパレータは冷媒からの熱及び蒸気を
除去する。蒸気は次に燃料処理に用いられる。液体冷却
は次に電池スタツクへと再循環される。冷媒が水である
場合には、水がさらされる状態の故に種種の冷却システ
ム部品の腐蝕が生ずる。腐蝕産物粒子は水冷媒内に取込
まれて、閉じた冷却システム内の狭小通路をつまらせる
可能性がある。特に、酸化物イオン及び銅析出物がその
ような水冷で基本的に閉じた回路冷媒システムの導管内
に認められている。従つて冷媒通路の１つ又はそれ以上
が完全にふさがられる以前に周期的にこれらの堆積物を
化学的又は物理的に清掃してやるという保守作業が必要
である。
本発明の冷媒システムは水冷媒で作動し、動力プラン
トの作動時間を増大させるべく冷媒システム清掃時期間
に最大のスタツク使用時間を確保するよう設計されてい
る。冷媒取入口マニホールドポートすなわちスニビが冷
媒システム内の腐蝕産物堆積物並びに他の懸濁物質が最
も堆積し易い場所であるということが観察されている。
またそのような懸濁粒子は取入口マニホールドの底部に
おいて、更にとりわけ底部スニビ内において堆積し易い
ということも認められている。この取入口マニホールド
中を常に水が入つて、出て行くということによりマニホ
ールドの底部に向けて沈澱しようとする物質は再懸濁さ
れる。沈澱粒子のそのような再懸濁が続行することによ
り、マニホールド壁のスニビ側下側部分には腐蝕堆積物
が通常の場合よりも激しく、厚く付着する。かくして、
マニホールドの、水がスニビからスタツク内の冷媒プレ
ート内へと流れる側並びにスニビ壁は水からの又は水に
よつて担持された物質によつて、スニビがつまつてしま
う程激しく覆われる可能性がある。全てのスニビ及びマ
ニホールド全長にわたつての非一様な堆積物分布のこの
問題が発生するのは、取入口マニホールドへの水取入口
がマニホールドの底部に位置している時に発生する。そ
のような場合には、流入する水は常にかきまぜられ、再
配置されるとともに、マニホールドの底部内に沈澱しよ
うとする物質を下側スニビへと凝集させる。
本発明の冷媒システムは堆積物質を取入口マニホール
ド及びスニビ内で均一に配置せしめ、スタツクが電力プ
ラントのより長い作動期間中十分に冷却され得るように
すること、この指向的堆積を実質的に除去するように構
成されている。本発明のシステムによれば、スニビは長
期間にわたつて詰まりの無い状態に保持されるので、電
力プラントの保守清掃はより長い作動間隔の後に行うこ
とが出来る。かくして電力プラントの全体としての稼働
効率は改善される。
本発明の冷媒システムにおいては、水冷媒は冷媒取入
口マニホールドの頂部においてかつ全てのスニビの上方
において、渦流を減らす大きな半径のエルボー部を経て
マニホールド内に導入される。水はかくして取入口マニ
ホールド中を下向き方向に流れ、次にスニビを経てマニ
ホールドから出て行く。取入口マニホールドの底部には
吹出し通路が設けられており、同通路は最下側冷媒プレ
ートスニビ下方に位置するとともに、スタツクをバイパ
ス通路している水イオン交換ベツドへの直通路を提供し
ている。前記吹出し通路はスタツクのまわりの迂回路を
提供しており、これにより前記通路の無い場合に取入口
マニホールドの底部に沈澱し、多分そこに凝集するか、
下側スタツクスニビ内へ流入するであろう粒子は、スタ
ツクのまわりに連続的に移送され、ポリシヤへと移送さ
れそこで同粒子は水から除去され、水は次に冷却システ
ムへと戻される。いつたんポリシヤに入ると、水中に溶
解され固体成分はイオン交換ににより除去され、鉄分を
ベースとした粒子はポリシヤ内のアニオン樹脂断片に固
着されることで除去される。処理された水は次に冷却ル
ープへと戻される。このようにして、大きく、重い懸濁
粒子は取入口マニホールドの底部に向けて移動し、そこ
で粒子はスタツクをバイパス通過し、ポリシヤへと移送
される。かくして冷媒水内の物質が過度に沈積したり、
堆積したり、凝集したりする領域が発生することは防止
され、大きく、重い粒子はスタツク内の冷媒取入口ポー
ト内へと進入しない。本発明のシステムにおいては、冷
媒導管内での粒子堆積はまだ発生するものの、発生する
堆積は比較的均一に分布しており、局所的過度の堆積は
最小化されている。その結果電力プラントンは冷媒シス
テムの洗浄間隔間において長時間停止しない作動を得る
ことが出来る。全てのスニビ内においてより一様な堆積
が発生するということは、全てのスニビ中を同時にかつ
比較的一様に流れるかどうかに依存する化学的洗浄作業
を迅速に行ない得るという結果をもたらす。従来技術の
そのような化学的洗浄作業中においては、流れの大部分
は比較的につまつていない頂部スニビ中に限られてい
た。すなわちこれらのスニビ内に存在するわずかな堆積
物は迅速に除去される。しかしながら、より拘束され、
栓塞した底部スニビ内では流れが遅くなるか、全く無く
なるので、より厚肉の堆積物はずつとゆつくり除去され
ることになる。
従つて本発明の１つの目的は燃料電池スタツクのため
の改良された冷却システムであつて、同スタツクが冷却
システム導管洗浄の機会の間より長い期間作動すること
を許容する冷却システムを提供することである。
本発明の別の目的は前述のタイプの燃料電池スタツク
冷却システムにして、冷媒マニホールドの最下側冷媒ス
ニビが冷媒からの粒状物質によつて早期に破損されるこ
とが、同粒状物質がマニホールド及びスニビ中により均
一に分布するようにしてやることで、防止されるような
燃料電池スタツク冷却システムを提供することである。
本発明の付加的目的は前述のタイプの冷却システムに
おいて、懸濁された粒状物質が局所的の過度に濃縮化さ
れること、及び過度の導管堆積物が発生することが最小
化されている冷却システムを提供することである。
以下付図を参照して本発明のより具体的な説明を行
う。
（発明を実施するための最良の態様） 付図を参照すると、第１図には従来技術に従つて冷却
された燃料電池スタツク組立体が示されている。全体と
して番号２によつて示される燃料電池スタツクは水で冷
却されており、該水は取入口マニホールド４から複数個
の挿設冷媒プレートを介して送給されている。水は取入
口マニホールド４の底部内に開口する取入口導管６を経
て取入口マニホールド４内にポンプ送給されている。複
数個の送給導管すなわちスニビ８が前記取入口導管４か
ら開口し、スタツク２に向けて延びている。誘電体ホー
ス10が一方の端部において各スニビ８にクランプされて
おり、他方の端部において冷却プレート内の冷却チュー
ブ列の各々に対してクランプされている。冷却水が冷却
プレート中を通過した後、水及び蒸気は誘電体ホース16
がクランプされている取出口パイプ14内へと流入する。
ホース16はまた水及び蒸気を取出口マニホールド20に送
給する取出口スニビ18にもクランプされている。取出口
マニホールド20は取出口導管22に接続されており、ここ
から水及び蒸気は水が取入口導管６に戻される以前に
（図示せぬ）蒸気セパレータ中を流れる。
第２図を参照すると、従来技術において底部から供給
を受ける取入口マニホールド４の内側をあらわしたもの
並びに粒状物質が懸濁され、マニホールド４内に堆積さ
れる態様がが示されている。水が矢印Ａのように底部か
らマニホールド４に進入するにつれて、水の流速は対称
的かつ線形的速度プロフイルP1（２点鎖線で図示）を示
しており、マニホールド４の壁上に堆積される物質はD1
で示すようにマニホールドの下側入口領域内で対称的に
堆積され、底部スニビ内にも堆積する。直角度の取入口
エルボによつて誘起される取入れ渦流はこの領域内の循
環パターンに寄与しているかも知れない。流してくる水
がマニホールド４中を上昇するにつれて、その流れパタ
ーンはスニビ８内への流出のために非対称的になり、線
形速度が減少してくる。プロフイルのP2〜P7で示すよう
に、水はマニホールドのスニビ側においてより速い速度
で上向きに流れる。この非対称物フロープロフイルは水
中に懸濁している粒状の物質反時計まわりのループＬを
なして渦巻く原因となる。懸濁粒子が渦巻くと、物質は
マニホールド壁の内側部分上に非対称的に堆積し、スニ
ビから離れた壁上にほとんど堆積が発生せず、マニホー
ルドのスニビ側にはD2で示すように堆積が目立つように
なる。マニホールドの底部に向けて落着こうとする物質
はスニビ壁に沿ってマニホールド４中を常に渦巻いて上
昇し、スニビ８内へと入る。
加えるに、渦巻く粒子がある程度集塊する現象も発生
すると考えられ、この現象のため底部スニビに向けて沈
積し、スニビに進入し、詰まりを誘起する大きな粒子が
生ずる。底部スニビはまた直角エルボのためにマニホー
ルド取入口渦からの栓塞粒子を受取る可能性もある。マ
ニホールド内の全体的線形速度は各スニビを通過する毎
に同スニビ中の流量分だけ減少して行き、その結果マニ
ホールド内の平均的線形速度は減少し、フロープロフイ
ルは冷媒がマニホールドを上昇するにつれてより非対称
的になつて行く。
第３図に示すように、堆積物質及び懸出物質の濃密化
が増大することは下側スニビ内の流れの問題を誘起せし
める。第３図に示すスニビ８′、８″及び８はマニホ
ールド４内に位置するように示されており、８′は最下
側にあり、８は最上側にある。図示のように下側スニ
ビ８′及び８″には上側スニビ８に対するよりも多く
の懸濁物質が入り込む。スニビ８′に示すように、粒子
を含んだ水は矢印Ｂに従つて引き込まれ、スニビがマニ
ホールド内の下側位置にあるため、同スニビ中を流れ
る。このため腐蝕性の堆積物がスニビ８′の内側壁上に
形成され、同堆積物はスニビを詰まらせ、水が流れない
ようにスニビを閉鎖してしまう。スニビ８″はマニホー
ルド４上で上の方に位置しているが、まだ粒子が渦巻く
領域内にある。水の流れ方向は再び矢印Ｂで示されてい
る。スニビ８″はの入口が渦流水によつてスニビ内に掃
込まれた懸濁物質のより大きな粒子によつて詰まらされ
ている。このためスニビ８″も更に水が流れることを阻
止している。スニビ８は粒子渦流の大部分の上方にあ
つて、マニホールド４の更に高い所に位置している。こ
の高さにおいては、下側の全線形速度はこのスニビに到
達することの出来る粒子の濃度を減少させるように作用
する。水はスニビ８中を矢印Ｂの方向に流れる。腐蝕
堆積物はスニビ８の内側壁上において発生するが、こ
れらの堆積物はスニビ８′内の堆積物程は重くないし、
懸濁した粒子がスニビ８へと掃き上げられ、８″のよ
うな下側スニビ内において生ずるような栓塞の問題が生
ずる傾向も無い。下側スニビ内での腐蝕堆積物が増大す
ると、スタツク２の適正な冷却を保証するためにシステ
ム全体をよりひんぱんに清掃する必要が出てくることが
理解されよう。例えば、全システムはスニビの半分が完
全に機能していても清掃されなければならない。加える
に、下側スニビの孔内に大きな粒子が堆積するというこ
とは低いスニビ流れ状態を誘起せしめるので、電池スタ
ツクセクシヨンが所望よりも高温になつてしまうという
問題を誘起する可能性がある。この予期出来る状況は診
断することが困難である。
前記スニビ孔は第３図に示すように一定直径とするこ
とも出来るし、又は取入口又は孔のもつと入つた所にお
いて圧力コントロール絞りを含むことも出来る。
次に第４図を参照すると、本発明の電池スタツク冷却
システムが示されている。第４図のシステムはスニビが
早期にかつ不均一に詰ることを以下のように防止してい
る。電池スタツクは全体として番号102によつて示され
ており、冷媒の水は取入口マニホールド104からスタツ
ク冷却プレート内に送給されている。水は取入口導管10
6を経て取入口マニホールド104内に送り込まれる。なお
導管106は取入口マニホールド104の上部内に開口してい
る。取入口導管は大きなＲ形状エルボ105を介してマニ
ホールド104内へと通じており、エルボの半径はパイプ
の直径の約３〜４倍である。従来技術の半径よりも大き
な半径の入口を用いることによりマニホールド104の頂
部内の取入口渦を減少している。取入口マニホールドは
取入口スニビ108を誘電体ホース110に接続せしめてお
り、同ホースは冷媒プレートフイーダ112に接続されて
いる。取入口マニホールド104の底部にはスリーブ111に
接続された端子吹出しスニビ109が設けられており、ス
リーブ111は吹出し導管113に接続されている。スタツク
102の冷却出口側には誘電体ホース116に接続された冷却
プレート取出口パイプ114が設けられており、ホース116
は取出口マニホールド120上のスニビ118に接続されてい
る。出口導管122は出口マニホールド120の頂部において
同マニホールドに接続されている。吹出し導管113はポ
リシヤ115に接続されており、同ポリシヤはイオン交換
ベツドを含むとともに、冷媒循環ライン119に通ずる冷
媒ライン117に接続されている。ライン119は上記セパレ
ータからの水を冷媒循環ポンプ121へと送給している。
吹出しライン113内の低い流量はイオン交換ポリシヤに
必要とされる低温度へと冷媒が冷却されることを許容す
る。ポンプ121はかくて冷却水を取入口導管106へと戻す
よう再循環させる。水冷媒は取入口マニホールド104に
その頂部から入るので、マニホールド104の下側部分に
は実質的に上向き流れが存在しない。かくてマニホール
ド104内には懸濁液の上向き渦流は存在しない。落付く
傾向を備えた腐蝕産物粒子はマニホールド104の下側部
分へと移行し、吹出しスニビ109中、導管113及びポリシ
ヤ115中を通過し、そこから取入口マニホールド104へと
その頂部に戻る。これらの粒子はかくてポリシヤ内で除
去される傾向があり、洗浄された水は冷媒再循環ライン
119内へと戻され、システム中を再循環される。第４図
のシステムによれば、懸濁液が過度に局所化されること
はなく、マニホールド104のいかなる特定の部分にも粒
子が集中化して繰返し渦巻くということもない。その結
果、腐蝕産物はマニホールド及びスニビ中を比較的均一
に堆積し、スタツク102は冷却システムの化学洗浄間で
長い期間作動させることが出来る。前述したように、取
入口マニホールドの頂部に大きな半径を採用したことに
より、渦流を減少し、腐蝕産物粒子が凝集する可能性を
減らすことが出来る。
第５図を参照すると、第１図から第３図に示した従来
技術のシステムの作動効率を第４図に示した本発明のシ
ステムのそれと比較した結果をグラフにしてあらわした
ものが示されている。Ｘ軸はスタツクの作動時間を示し
ており、Ｙ軸はスタツク取入口マニホールド内のスニビ
の相対的栓塞率を示す。
相対的栓塞率は定数0.0525を等価オリフイス直径（De
q）で割算することによつて決定される。等価オリフイ
ス直径は次公式によつて計算される。
Deq＝［（2.8×10-7）×W2/（pn2Δｐ）］1/4 ここに、Ｗ＝ポンド／時であらわした流量、ｐ＝ポン
ド/ft3であらわした水の密度、ｎ＝マニホールド内のス
ニビの数、Δｐ＝psiであらわした圧力低下である。
グラフにおいて、１である相対的栓塞率ははつきり開
口した通路が提供されていることを示す。相対的栓塞率
が増大することは堆積物の内部堆積によつて通路が狭小
になることを示している。水平方向の斜線領域は約1.35
の相対的栓塞率において通路の洗浄を行なうべきである
ということを示している。点刻領域すなわち影線領域は
冷媒をして第１図から第３図に示した従来技術に従つて
マニホールド内に流した約15の動力プラントスタツクか
ら採取した性能データを示している。従来技術システム
を用いる時には、スタツクは1000〜2000時間の範囲の作
動後洗浄しなくてはならなかつた。小さな円形点によつ
て示されるデータは冷媒を第４図に示すように分流させ
たスタツクからの性能データをあらわしている。このス
タツクは冷媒導管を洗浄する必要無く約2200時間作動し
た。小さな四角形によつて示されるデータは冷媒を第４
図に示すように分流させた別のスタツクからの性能デー
タをあらわしている。このスタツクはその冷媒通路を洗
浄することなく合計で3600時間作動した。
第４図に示される冷媒取入口マニホールド内の変更に
より、作動寿命並びに結果として得られる燃料電池スタ
ツクの効率は顕著に増大し、改善されたことが理解され
よう。
本発明は図示及び説明した特定の実施例に限定される
ものではなく、種々の変更及び修整を特許請求の範囲に
記載の本出願の精神及び範囲から離脱することなくなし
得るということを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
第１図は冷媒として水を用い、従来技術に従つて構成さ
れたスタツク冷却システムの幾分図式的な立面図、 第２図は第１図の従来技術システムの冷媒取入口マニホ
ールドの下側部分の断片的断面図、 第３図は冷媒取入口スニビの特定のスニビの断片的側断
面図、 第４図は本発明に従つて形成されたスタツク冷却システ
ムの図式的立面図、 第５図は従来技術のシステムとくらべて改良された、本
発明のシステムにより実現された冷媒循環性能をあらわ
したグラフ図である。 102……燃料電池スタツク、 104……取入口マニホールド、 106……取入口導管、 108……スニビ、 112……冷媒プレートフイーダ、 109……吹出しスニビ、 113……吹出し導管、 115……ポリシヤ、 121……ポンプ。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電気化学的電池の、水を冷媒として使うタ
    イプの冷却装置系あって、該装置系は ａ）冷却すべき電気化学的電池のスタックにして、該ス
    タックはその中に散在された複数個の冷却プレートを含
    んでいるスタックと、 ｂ）前記スタックの一方の側上に配置された水冷媒取入
    口マニホールドにして、該取入口マニホールドは頂部端
    部と底部端部並びに前記取入口マニホールドから前記冷
    却プレートへと延びて前記取入口マニホールドから前記
    冷却プレートの各々に冷媒を送給するための複数個の冷
    媒送給スニビを備えるマニホールドと、 ｃ）前記取入口マニホールドに大きなＲ形状エルボを介
    して作動接続され、当該取入口マニホールドの前記頂部
    端部を経て冷媒水を前記取入口マニホールドに導入する
    ための水冷媒取入口導管と、 ｄ）前記送給スニビの最下側スニビ下方において前記取
    入口マニホールドの前記底部端部に配置された冷媒吹出
    しスニビにして、該吹出しスニビは前記取入口マニホー
    ルド内において腐食産物粒子が落着く取入口マニホール
    ド領域内に位置しており、該吹出しスニビは常に開口し
    た通路ににしてその中を通って落着こうとしている腐食
    産物粒子が前記取入口マニホールドから出て行く通路を
    構成する、吹出しスニビと、 ｅ）前記吹出しスニビに作動接続され前記取入口マニホ
    ールドからの腐食産物粒子をして該粒子が前記水冷媒か
    ら除去されるようにしてやるポリシャへと導くための吹
    出し導管と、 ｆ）前記水冷媒をしてそれが前記ポリシャ内で処理され
    た後前記冷却システムの冷媒循環ポンプの吸込側に戻し
    てやるための装置とを有する冷却装置系。
JP62293046A 1986-11-20 1987-11-19 電気化学的電池の冷却装置系 Expired - Fee Related JPH0815088B2 (ja)

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